【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度変化で抵抗値が可逆的に変動して電気回路の過電流抑制や回路開閉等のスイッチ動作をするポリマースイッチ素子を使用したスイッチ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低圧電力契約需要家の電源回路には、電源の入切制御をする開閉素子に特定の操作、制御、保護等の機能を有する機能素子を組み合わせたスイッチ装置が組み込まれる。この種スイッチ装置における開閉素子は、開閉動作を繰り返す交流用半導体スイッチング素子であるトライアックや保護リレーのリレー接点、遮断動作だけする温度ヒューズ、電流ヒューズ等が一般的である。また、開閉素子に組み付けられる機能素子は、開閉素子の動作を安定させるための制御機能素子や、開閉素子を過電圧や過電流から保護する保護機能素子等であって、これら個々の開閉素子と機能素子を組合せ接続したスイッチ装置が低圧電力契約需要家の電源回路に設置されて、低圧電力契約需要家の電気設備の安全な運営と管理が行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなスイッチ装置は、個々の開閉素子や保護機能素子等が安定した動作を約束するが、スイッチ装置を構成する個々の開閉素子や保護機能素子等の回路構成部品の多くが大形で割高となる傾向にあって、低圧電力契約需要家の小型低圧電源回路に設置するには設置スペースの確保が難しいと共に、スイッチ装置自体が割高となっていた。
【０００４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは低圧電力契約需要家の電源回路に好適となる小形で経済的なポリマースイッチ装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的を達成する技術的手段は、正の抵抗温度係数をもつポリマースイッチ素子と、通電により発熱して前記ポリマースイッチ素子を非導通状態になるよう加熱する発熱体とを一体に積層したことを特徴とする。
【０００６】
ここで、ポリマースイッチ素子は、高分子材料たとえばポリオレフィン、ポリアミドまたはポリイミドに導電性微粉子たとえばカーボン、銀や金、ニッケルなどの金属、若しくはシリコンやチタン、タングステンなどの炭化物または硼化物の微粒子を分散させた複合材料で構成され、常温下では抵抗が極めて低くなって良導電体となり、スイッチ動作としてはオンの状態となる。このポリマースイッチ素子が加熱されて、その温度が閾値温度たとえば約８０〜９０℃を越えると抵抗が著しく高くなって電流をほとんど流さない非導通状態となり、スイッチ動作としてはオフとなる。そして、ポリマースイッチ素子の温度が閾値以下となって常温にまで戻ると、温度上昇時と逆の特性で抵抗が低下して非導通状態から導通状態に復帰する。ポリマースイッチ素子の常温からの温度上昇は、それ自体に流れる電流通電による自己発熱で、或いは、外部からの強制加熱で行われ、高温から常温までの温度降下は自然放熱等で行われる。このようなポリマースイッチ素子に、このポリマースイッチ素子を加熱するための発熱体を一体に積層して単品製品のスイッチ装置が構成される。発熱体は通電により発熱するセラミック発熱体やカーボン発熱体等で、これをポリマースイッチ素子に積層することで、オン・オフのスイッチ動作をする開閉素子とこれの開閉を制御する制御機能素子が一体化された小形で安価、高性能なポリマースイッチ装置の製品が実現される。
【０００７】
また、本発明は、板状にした上記ポリマースイッチ素子と、このポリマースイッチ素子の一方の主面側に絶縁状態で一体に積層された発熱体と、同ポリマースイッチ素子の他方の主面側にポリマースイッチ素子と直列接続状態で一体に積層された板状の電圧依存性非線形電圧素子を有する耐雷素子とを具備したことを特徴とする。
【０００８】
この発明の場合、オン・オフのスイッチ動作をする開閉素子とこれの開閉を制御する制御機能素子と、耐雷素子による耐雷保護装置が一体化された小形で多機能なポリマースイッチ装置となる。ポリマースイッチ素子と耐雷素子を直列接続すると、スイッチ装置に流れる電流でポリマースイッチ素子が自己発熱してその抵抗値が上昇し、それによってこの装置に流れる電流が制限される。これにより耐雷素子が過電流から保護され、また、耐雷素子が雷サージ電圧を抑制することでポリマースイッチ素子が過電圧から保護されて、保護機能の高い高信頼性のポリマースイッチ装置が実現される。
【０００９】
また、本発明は、上記耐雷素子の板状電圧依存性非線形電圧素子を、その一方の面側に共通電極を形成し、他方の面側に前記共通電極と対向する複数の電極を互いに絶縁距離で離隔させて形成した複数素子一体形とし、この耐雷素子の前記互いに離隔した複数の電極の各々に板状ポリマースイッチ素子の複数を直列接続して一体に積層し、この複数の板状ポリマースイッチ素子上に跨るように共通の発熱体を一体に積層したことを特徴とする。
【００１０】
この発明のポリマースイッチ装置は、複数の耐雷素子と複数のポリマースイッチ素子を一体化し、かつ、複数のポリマースイッチ素子に共通の発熱体を積層したもので、このような複数素子一体形のポリマースイッチ装置は単相三線交流電路等の電源回路に小形のスイッチ装置、耐雷保護装置として組み込まれる。
【００１１】
また、本発明は、上記発熱体は、外部からの制御信号でオンオフ制御されてオン時に発熱体に通電する発熱制御手段を直列に有することを特徴とする。この発明における発熱制御手段をオンオフ制御する外部からの制御信号は、特定の電気設備の異常を検出して自動的に発信される信号や、電気設備の稼動状況を管理して必要時に発信される信号等で、この制御信号で発熱制御手段がオン動作すると発熱体の通電が開始されて、所定の短時間経過後にポリマースイッチ素子が実質的に非導通状態となって電気設備の電源回路が遮断され、制御信号で発熱制御手段をオフ動作させるとポリマースイッチ素子が導通状態に復帰して電源回路の遮断が解除される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、第１〜第３の実施形態について図１〜図５を参照して順に詳述する。
【００１３】
図１（Ａ）（Ｂ）に示される第１の実施形態のポリマースイッチ装置１０は、板状のポリマースイッチ素子２０と板状の発熱体３０を積層して一体化したものである。ポリマースイッチ素子２０は、板状のポリマー本体２１の両面に一対の対向する電極２２、２３を形成して構成される。ポリマー本体２１は、板厚方向の抵抗値が温度変化で可逆的に変動する温度抵抗素子で、常温時には導通状態の低抵抗体となり、８０〜９０℃程度の高温時には非導通状態の高抵抗体となる正の抵抗温度係数をもつポリマー本体２１は、両面の電極２２、２３間を流れる電流による自己発熱か、発熱体３０による外部からの加熱のいずれかによって温度変化し、それに応じて導通状態が変化する。板状の発熱体３０は、ポリマー本体２１の片面の電極２３上に絶縁状態で積層されて、ポリマースイッチ素子２０と熱的結合されて一体化される。発熱体３０はセラミック発熱体やカーボン発熱体等で、板厚方向と直交する長さ方向の両端に引出端子３１、３２を有する。両引出端子３１、３２間の電圧印加で発熱体３０に長さ方向に電流を流すと、発熱体３０が発熱してポリマースイッチ素子２０を直接に効率良く加熱する。
【００１４】
なお、図１ではポリマー本体２１の一方の電極２３と発熱体３０の一方の引出端子３１を接続してポリマースイッチ装置１０を３端子構造にしているが、電極２３と引出端子３１を非接続にした４端子構造であってもよい。
【００１５】
ポリマー本体２１の常温時の抵抗値は０．０１Ω程度とゼロに近くて良導電体となり、常温から８０〜９０℃程度までに温度上昇すると抵抗が数百ｋΩ程度と上昇して非導通の高抵抗体となり、温度が高温から常温に戻るとそれに応じて抵抗も低下する。つまり、板状ポリマー本体２１の両面の電極２２、２３に定格電圧を印加した状態でポリマー本体２１が常温にあるとき、ポリマー本体２１が導通するスイッチオンの動作を継続して両電極２２、２３間に定格電流が流れる。このポリマー本体２１を例えば発熱体３０で非導通となる高温まで加熱すると、ポリマー本体２１が高抵抗体となってスイッチオフの動作に切換わる。
【００１６】
また、ポリマー本体２１の両電極２２、２３間に定格電流を超える過電流が流れると、ポリマー本体２１が自己発熱して抵抗値が増加し、この抵抗値増加で過電流が抑制され、さらに抵抗値が増加するとポリマー本体２１が非導通の高抵抗体となって過電流を遮断する。このようにポリマー本体２１は発熱体３０と過電流のいずれかで温度上昇するため、ポリマースイッチ素子２０が電源回路等の過電流保護機能と開閉制御機能を発揮して、ポリマースイッチ装置１０を多機能なものにする。
【００１７】
また、ポリマースイッチ装置１０は、例えば低圧電力契約需要家の各種電気設備の電源回路に設置されて、電源回路の開閉制御機能や過電流保護機能を備えたスイッチ装置として使用される。このポリマースイッチ装置１０は開閉機能と過電流抑制機能を有するポリマースイッチ素子２０と、これの開閉を制御する発熱体３０を積層して一体とした小形構造ゆえに、電源回路のスイッチ装置の大幅な小形化とコストダウンを可能にし、而も、過電流抑制機能も兼備してスイッチ装置の信頼性を上げる。
【００１８】
次に、図２に示す第２の実施形態のポリマースイッチ装置１０１を説明すると、同図のポリマースイッチ装置１０１は一対のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂと共通の１つの発熱体３０１を積層して一体とした構造である。一対の各ポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂは図１のポリマースイッチ素子２０と同様な構造で、板状のポリマー本体２１１ａ、２１１ｂの両面に電極２２１ａ、２３１ａ、２２１ｂ、２３１ｂを形成して構成される。一対のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが共通の板状発熱体３０１の片面に絶縁状態で積層されて一体に固定される。板状発熱体３０１は長さ方向の両端に引出端子３３、３４を有し、一方の引出端子３３が一方のポリマースイッチ素子２０１ａの電極２３１ａに接続され、他方の引出端子３４が他方のポリマースイッチ素子２０１ｂの電極２３１ｂに接続される。
【００１９】
また、共通の発熱体３０１は中央が二分され、二分された発熱体中央の２点から一対の引出端子３５、３６が引き出されて、引出端子３５、３６間にオン・オフのスイッチング動作をする発熱制御手段４０が接続される。発熱制御手段４０は半導体スイッチやリレー接点等で、外部の制御回路４１からの制御信号でオン・オフ制御され、オン動作時に引出端子３５、３６を接続して二つの発熱体３０１を通電可能な状態にし、オフ動作するとこれら発熱体３０１間をオフにして通電不可な状態にする。
【００２０】
なお、図２のポリマースイッチ装置１０１の場合は、１枚の板状発熱体３０１を一対の板状ポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂでサンドイッチ式に挟持させて一体化してもよい。
【００２１】
図３は図２のポリマースイッチ装置１０１を低圧電力契約需要家の単相三線交流電路における電源回路に設置したときの回路図で、単相三線用変圧器６１のライン相Ｌ，Ｌにポリマースイッチ装置１０１のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが直列に介挿される。なお、図３における６２は電力計、６３は引込口ブレーカで電気設備の負荷に電力を供給する。
【００２２】
図３のポリマースイッチ装置１０１を設置した電源回路において、平常時は発熱制御手段４０がオフ状態に保持されてポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが導通状態にあって電気設備への正常な電力供給が行われる。電気設備に異常が発生する等して電源回路を遮断したい事態が生じた場合、制御回路４１から発熱制御手段４０をオンさせる制御信号が発信されて発熱制御手段４０がオン動作する。すると、発熱体３０１に変圧器６１のライン相Ｌ、Ｌを通じて電流が流れて発熱を開始し、短時間経過後に発熱体３０１で各ポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが高温に加熱されて非導通状態となり、電源回路を遮断状態にする。電気設備の異常が無くなる等して電源回路の遮断を解除する場合は、制御回路４１からオフ指令信号が発信されて発熱制御手段４０がオン状態からオフ状態に切り換えられて、発熱体３０１への通電が停止する。この停止で発熱体３０１が温度降下を開始して各ポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂの抵抗値が下がり、短時間経過後に導通状態に復帰して電源回路の遮断が解除される。
【００２３】
また、図３の電源回路が正常なときに変圧器６１に過電流が突入すると、この過電流で各ポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが自己発熱をして抵抗値が上がり、過電流を抑制して電気設備等を過電流から保護する。
【００２４】
図４は、図２のスイッチ装置に耐雷保護機能を追加した第３の実施形態のポリマースイッチ装置１０２を示す。この図４の図２と同一、又は、相当部分には同一符号が付してある。
【００２５】
図４のポリマースイッチ装置１０２は、図２のポリマースイッチ装置に板状耐雷素子５０を積層して一体化した構造である。板状耐雷素子５０は、１枚の板状の電圧依存性非線形電圧素子５１の一方の面側に共通電極５２が形成され、また他方の面側に複数例えば２つの電極５３、５４を互いに絶縁距離で離隔させて形成された構造である。一対の電極５３、５４は共通電極５２と対向して、一方の電極５３と共通電極５２の間で第１の耐雷素子部５０ａが構成され、他方の電極５４と共通電極５２の間で第２の耐雷素子部５０ｂが構成される。２つの耐雷素子部５０ａ、５０ｂが電圧素子５１で一体化されて２素子一体形の板状耐雷素子５０が形成され、この板状耐雷素子５０の一対の各電極５３、５４が一対のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂに積層されて、各電極５３、５４がポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂの一方の電極を兼用する。
【００２６】
図４のポリマースイッチ装置１０２を低圧電力契約需要家の単相三線交流電路における電源回路に設置したときの回路図が図５に示される。単相三線用変圧器６１のライン相Ｌ，Ｌにポリマースイッチ装置１０２のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが直列に介挿され、耐雷素子５０の共通電極５２が接地相Ｎに接続され、一対の耐雷素子部５０ａ、５０ｂがライン相Ｌ，Ｌと接地相Ｎの間に接続される。また、共通電極５２と大地の間に放電ギャップＧが必要に応じて接続される。放電ギャップＧは、耐雷素子５０の続流防止と雷サージ電流による破壊防止の保護機能を有する。
【００２７】
図５の電源回路においても、平常時は発熱制御手段４０がオフ状態に保持されてポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが導通状態にあり、このとき一対の耐雷素子部５０ａ，５０ｂと放電ギャップＧで形成される耐雷保護回路が雷サージ電圧を抑制して電気設備を雷撃から保護する。また、耐雷素子部５０ａ、５０ｂが雷サージの過電圧を抑制することで、一対のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂを過電圧から保護する。さらに、耐雷素子５０に耐雷電流容量を超えた続流が発生して自己発熱で温度上昇すると、発熱した耐雷素子５０と一体のポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂが温度上昇してその抵抗値が上がり、ポリマースイッチ素子２０１ａ、２０１ｂに流れる電流が抑制されて耐雷保護回路が過電流から保護される。
【００２８】
なお、以上の第３の実施形態の耐雷素子は２素子一体形であるが、１つの板状電圧依存性非線形電圧素子の片面に１つの共通電極を形成し、他の片面に３つの電極を離隔させて形成して３つの耐雷素子部を一体化させた３素子一体形にして、その３つの耐雷素子部の全て、或いは、選択された１つか２つにだけポリマースイッチ素子を一体に積層することも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は以下の効果を有する。
【００３０】
ポリマースイッチ素子に独立した発熱体を一体に設けることで電源回路の入切制御機能を有し、而も、過電流保護を兼ね備えた多機能なスイッチ装置が提供できる。また、ポリマースイッチ素子と発熱体を一体に積層することで、多機能なスイッチ装置の小形化とコストダウンが図れる。
【００３１】
また、ポリマースイッチ素子に耐雷素子を一体化することで、ポリマースイッチ素子が耐雷素子を過電流から保護し、耐雷素子がポリマースイッチ素子を過電圧から保護すると共に、雷サージから電気設備類を保護する耐雷保護機能をも備えた多機能で小形、経済性に優れたスイッチ装置が提供でき、而も、このスイッチ装置は耐雷素子とポリマースイッチ素子の相互の保護機能でもって信頼性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は第１の実施形態を示すポリマースイッチ装置の断面図である。
（Ｂ）は等価回路図である。
【図２】第２の実施形態を示すポリマースイッチ装置の断面図である。
【図３】図２のポリマースイッチ装置を使用した電源回路図である。
【図４】第３の実施形態を示すポリマースイッチ装置の断面図である。
【図５】図４のポリマースイッチ装置を使用した電源回路図である。
【符号の説明】
１０ ポリマースイッチ装置
１０１ ポリマースイッチ装置
１０２ ポリマースイッチ装置
２０ ポリマースイッチ素子
２０１ａ ポリマースイッチ素子
２０１ｂ ポリマースイッチ素子
２２、２３ 電極
３０ 発熱体
３１〜３６ 引出端子
４０ 発熱制御手段
４１ 発熱制御回路
５０ 耐雷素子
５０ａ 耐雷素子部
５０ｂ 耐雷素子部
５１ 電圧依存性非線形電圧素子
５２ 共通電極
５３，５４ 電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a switch device using a polymer switch element that performs a switching operation such as suppression of overcurrent of an electric circuit and opening and closing of a circuit by reversibly changing a resistance value due to a temperature change.
[0002]
[Prior art]
In a power supply circuit of a low-voltage power contract consumer, a switch device that combines a switching element for controlling power on / off and a functional element having a function of a specific operation, control, protection, or the like is incorporated. The switching element in this type of switch device is generally a triac, which is an alternating-current semiconductor switching element that repeats opening and closing operations, a relay contact of a protection relay, a temperature fuse, a current fuse, and the like that perform only a breaking operation. In addition, the functional elements assembled to the switching element include a control function element for stabilizing the operation of the switching element and a protection function element for protecting the switching element from overvoltage and overcurrent. A switch device in which the elements are connected in combination is installed in the power supply circuit of the low-voltage power contract customer, and the safe operation and management of the electric equipment of the low-voltage power customer is performed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The switch device as described above promises stable operation of the individual switching elements and protection function elements, but many of the circuit components such as the individual switching elements and protection function elements that constitute the switch device are large. Because of the tendency to be expensive, it is difficult to secure an installation space for installing in a small low-voltage power supply circuit of a low-voltage power contract customer, and the switch device itself has been expensive.
[0004]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a small and economical polymer switch device suitable for a power supply circuit of a low-voltage power contract customer.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
Technical means for achieving the above object of the present invention is to integrally laminate a polymer switch element having a positive temperature coefficient of resistance and a heating element that generates heat by energization and heats the polymer switch element to be in a non-conductive state. It is characterized by having done.
[0006]
Here, the polymer switch element is obtained by dispersing conductive fine particles such as carbon, silver, gold, nickel or the like, or carbide or boride fine particles such as silicon, titanium, or tungsten in a polymer material such as polyolefin, polyamide or polyimide. At room temperature, the resistance becomes extremely low, the conductor becomes a good conductor, and the switch operation is turned on. When the polymer switching element is heated and its temperature exceeds a threshold temperature, for example, about 80 to 90 ° C., the resistance becomes extremely high, and a non-conducting state where almost no current flows, and the switching operation is turned off. Then, when the temperature of the polymer switching element becomes equal to or lower than the threshold value and returns to the normal temperature, the resistance decreases with the opposite characteristic to that at the time of temperature rise, and the non-conductive state returns to the conductive state. The temperature rise of the polymer switching element from room temperature is performed by self-heating by applying a current flowing through the polymer switching element itself or by forced heating from the outside, and the temperature drop from high temperature to room temperature is performed by natural heat radiation or the like. A heating element for heating the polymer switch element is integrally laminated on such a polymer switch element to constitute a single-piece switch device. The heating element is a ceramic heating element or carbon heating element that generates heat when energized. By stacking this on a polymer switch element, an open / close switch that operates on and off and a control function element that controls the opening and closing of the switch are integrated. A compact, inexpensive, high-performance polymer switch device is realized.
[0007]
In addition, the present invention provides a polymer switch element having a plate shape, a heating element integrally laminated in an insulated state on one main surface side of the polymer switch element, and a heating element laminated on the other main surface side of the polymer switch element. And a lightning protection element having a plate-shaped voltage-dependent nonlinear voltage element laminated integrally with the polymer switch element in series connection.
[0008]
In the case of the present invention, there is provided a small and multifunctional polymer switch device in which an on / off switching device that performs an on / off switch operation, a control function device for controlling the opening and closing thereof, and a lightning protection device including a lightning protection device are integrated. When the polymer switch element and the lightning proof element are connected in series, the current flowing through the switch device causes the polymer switch element to self-heat and its resistance increases, thereby limiting the current flowing through the device. As a result, the lightning proof element is protected from overcurrent, and the lightning proof element suppresses the lightning surge voltage, so that the polymer switching element is protected from overvoltage, thereby realizing a highly reliable polymer switching device having a high protection function.
[0009]
Further, the present invention provides a plate-shaped voltage-dependent nonlinear voltage element of the lightning-resistant element, wherein a common electrode is formed on one surface side, and a plurality of electrodes facing the common electrode are insulated from each other on the other surface side. A plurality of plate-shaped polymer switch elements are connected in series to each of the plurality of electrodes separated from each other of the lightning-resistant element, and are integrally laminated. It is characterized in that a common heating element is integrally laminated so as to straddle the element.
[0010]
The polymer switch device of the present invention is obtained by integrating a plurality of lightning protection elements and a plurality of polymer switch elements, and laminating a heating element common to the plurality of polymer switch elements. The device is incorporated in a power supply circuit such as a single-phase three-wire AC circuit as a small switch device and a lightning protection device.
[0011]
Further, the present invention is characterized in that the heating element is provided in series with a heating control means which is controlled to be turned on / off by an external control signal and energizes the heating element when turned on. The control signal from the outside for turning on and off the heat generation control means in the present invention is automatically transmitted when an abnormality of a specific electric equipment is detected, or transmitted when necessary by managing the operation status of the electric equipment. When the heat generation control means is turned on by this control signal, the power supply to the heating element is started, and after a predetermined short period of time, the polymer switch element becomes substantially non-conductive and the power supply circuit of the electric equipment is cut off. Then, when the heat generation control means is turned off by the control signal, the polymer switch element returns to the conductive state, and the interruption of the power supply circuit is released.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, first to third embodiments will be sequentially described in detail with reference to FIGS. 1 to 5.
[0013]
The polymer switch device 10 of the first embodiment shown in FIGS. 1A and 1B is obtained by laminating a plate-shaped polymer switch element 20 and a plate-shaped heating element 30 and integrating them. The polymer switch element 20 is formed by forming a pair of opposed electrodes 22 and 23 on both sides of a plate-shaped polymer main body 21. The polymer body 21 is a temperature resistance element in which the resistance value in the thickness direction reversibly fluctuates due to a temperature change. The polymer body 21 is a low-resistance element in a conductive state at room temperature, and a high-resistance element in a non-conductive state at a high temperature of about 80 to 90 ° C. The polymer body 21 having a positive temperature coefficient of resistance changes its temperature by either self-heating due to current flowing between the electrodes 22 and 23 on both sides or external heating by the heating element 30, and accordingly, the conducting state Changes. The plate-shaped heating element 30 is laminated on the electrode 23 on one side of the polymer body 21 in an insulated state, and is thermally coupled to the polymer switch element 20 to be integrated. The heating element 30 is a ceramic heating element, a carbon heating element, or the like, and has lead terminals 31 and 32 at both ends in a length direction orthogonal to the thickness direction. When a current is applied to the heating element 30 in the length direction by applying a voltage between the two lead terminals 31 and 32, the heating element 30 generates heat and directly heats the polymer switching element 20 efficiently.
[0014]
In FIG. 1, the polymer switch device 10 has a three-terminal structure by connecting one electrode 23 of the polymer main body 21 and one lead terminal 31 of the heating element 30, but the electrode 23 and the lead terminal 31 are not connected. A four-terminal structure may be used.
[0015]
The resistance value of the polymer body 21 at room temperature is about 0.01Ω, which is close to zero, and becomes a good conductor. When the temperature rises from room temperature to about 80 to 90 ° C., the resistance rises to about several hundred kΩ, and the non-conductive state becomes high. It becomes a resistor, and when the temperature returns from a high temperature to a normal temperature, the resistance decreases accordingly. That is, when the rated temperature is applied to the electrodes 22 and 23 on both surfaces of the plate-shaped polymer main body 21 and the polymer main body 21 is at room temperature, the switch-on operation in which the polymer main body 21 conducts is continued and the two electrodes 22 and 23 continue. The rated current flows between them. When the polymer main body 21 is heated to a high temperature at which the heating element 30 becomes non-conductive, for example, the polymer main body 21 becomes a high-resistance body and switches to the switch-off operation.
[0016]
When an overcurrent exceeding the rated current flows between the two electrodes 22 and 23 of the polymer main body 21, the polymer main body 21 generates heat and the resistance value increases. This increase in the resistance value suppresses the overcurrent and further reduces the resistance. When the value increases, the polymer main body 21 becomes a non-conductive high-resistance body, and blocks overcurrent. As described above, the temperature of the polymer main body 21 is increased by either the heating element 30 or the overcurrent. Therefore, the polymer switching element 20 exerts an overcurrent protection function such as a power supply circuit and an opening / closing control function, so that the polymer switching device 10 is frequently used. Make it functional.
[0017]
The polymer switch device 10 is installed in, for example, a power supply circuit of various electric facilities of a low-voltage power contract customer, and is used as a switch device having an opening / closing control function of the power supply circuit and an overcurrent protection function. Since the polymer switch device 10 has a small structure in which a polymer switch element 20 having an opening / closing function and an overcurrent suppressing function and a heating element 30 for controlling the opening / closing of the polymer switch element 20 are integrated into a single body, the switch device of the power circuit is significantly small. In addition, the reliability of the switch device is improved by combining the function with the overcurrent suppression function.
[0018]
Next, the polymer switch device 101 according to the second embodiment shown in FIG. 2 will be described. The polymer switch device 101 shown in FIG. 2 is formed by stacking a pair of polymer switch elements 201a and 201b and a single heating element 301 in common. The structure is as follows. Each of the pair of polymer switch elements 201a and 201b has a structure similar to that of the polymer switch element 20 in FIG. 1, and is configured by forming electrodes 221a, 231a, 221b and 231b on both surfaces of plate-shaped polymer bodies 211a and 211b. A pair of polymer switch elements 201a and 201b are laminated on one surface of a common plate-shaped heating element 301 in an insulated state and fixed integrally. The plate-shaped heating element 301 has lead terminals 33 and 34 at both ends in the longitudinal direction, one lead terminal 33 is connected to the electrode 231a of one polymer switch element 201a, and the other lead terminal 34 is connected to the other polymer switch. It is connected to the electrode 231b of the element 201b.
[0019]
In addition, the center of the common heating element 301 is divided into two parts, and a pair of extraction terminals 35 and 36 are extracted from two points at the center of the divided heating element, and an on / off switching operation is performed between the extraction terminals 35 and 36. Heat generation control means 40 is connected. The heat generation control means 40 is turned on / off by a control signal from an external control circuit 41 by a semiconductor switch, a relay contact, or the like, and can connect the extraction terminals 35 and 36 to turn on the two heat generating elements 301 during the ON operation. When the power is turned off, the heating elements 301 are turned off to turn off the power.
[0020]
In the case of the polymer switch device 101 in FIG. 2, one sheet heating element 301 may be sandwiched between a pair of sheet polymer switching elements 201 a and 201 b to be integrated.
[0021]
FIG. 3 is a circuit diagram when the polymer switch device 101 of FIG. 2 is installed in a power supply circuit in a single-phase three-wire AC circuit of a low-voltage power contract customer. The polymer switches are connected to the line phases L and L of the single-phase three-wire transformer 61. The polymer switching elements 201a, 201b of the device 101 are inserted in series. In FIG. 3, reference numeral 62 denotes a wattmeter, and 63 denotes an inlet breaker for supplying power to the load of the electric equipment.
[0022]
In the power supply circuit in which the polymer switch device 101 shown in FIG. 3 is installed, the heat generation control means 40 is normally kept in the off state, and the polymer switch elements 201a and 201b are in a conductive state, so that normal power supply to the electric equipment is performed. Is When a situation arises in which it is desired to shut off the power supply circuit due to an abnormality in the electrical equipment or the like, a control signal for turning on the heat generation control means 40 is transmitted from the control circuit 41, and the heat generation control means 40 is turned on. Then, a current flows through the heating element 301 through the line phases L, L of the transformer 61 to start heating. After a short time, the polymer switching elements 201a, 201b are heated to a high temperature by the heating element 301 and become non-conductive. Then, the power supply circuit is turned off. When the interruption of the power supply circuit is released, for example, when the abnormality of the electrical equipment is eliminated, the off command signal is transmitted from the control circuit 41, and the heat generation control means 40 is switched from the on state to the off state. Power supply stops. With this stop, the heating element 301 starts to drop in temperature, and the resistance value of each of the polymer switching elements 201a and 201b decreases. After a short time, the heating element 301 returns to the conductive state, and the cutoff of the power supply circuit is released.
[0023]
Further, when an overcurrent enters the transformer 61 when the power supply circuit of FIG. 3 is normal, the polymer switching elements 201a and 201b self-heat due to the overcurrent to increase the resistance value, thereby suppressing the overcurrent. Protect electrical equipment from overcurrent.
[0024]
FIG. 4 shows a polymer switch device 102 according to a third embodiment in which a lightning protection function is added to the switch device of FIG. 4 which are the same as or correspond to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
[0025]
The polymer switch device 102 of FIG. 4 has a structure in which the plate-like lightning proof element 50 is laminated and integrated with the polymer switch device of FIG. In the plate-like lightning protection element 50, a common electrode 52 is formed on one surface side of one plate-like voltage-dependent nonlinear voltage element 51, and a plurality of, for example, two electrodes 53, 54 are insulated from each other on the other surface side. It is a structure formed at a distance. The pair of electrodes 53 and 54 are opposed to the common electrode 52, and a first lightning protection element portion 50a is formed between one electrode 53 and the common electrode 52, and a second lightning protection element portion 50a is formed between the other electrode 54 and the common electrode 52. Is formed. The two lightning protection element portions 50a and 50b are integrated by a voltage element 51 to form a two-element integrated lightning protection element 50. A pair of electrodes 53 and 54 of the lightning protection element 50 are connected to a pair of polymer switches. The electrodes 53 and 54 are stacked on the elements 201a and 201b, and also serve as one electrode of the polymer switching elements 201a and 201b.
[0026]
FIG. 5 is a circuit diagram when the polymer switch device 102 of FIG. 4 is installed in a power supply circuit in a single-phase three-wire AC circuit of a low-voltage power contract customer. The polymer switch elements 201a and 201b of the polymer switch device 102 are inserted in series with the line phases L and L of the single-phase three-wire transformer 61, the common electrode 52 of the lightning protection element 50 is connected to the ground phase N, and a pair of lightning protection Element units 50a, 50b are connected between line phases L, L and ground phase N. Further, a discharge gap G is connected between the common electrode 52 and the ground as required. The discharge gap G has a protection function of preventing the lightning-resistant element 50 from continuing and preventing destruction by a lightning surge current.
[0027]
In the power supply circuit of FIG. 5 as well, the heating control means 40 is normally kept in the off state and the polymer switch elements 201a and 201b are in the conductive state. At this time, the polymer switch elements 201a and 201b are formed by the pair of lightning protection element sections 50a and 50b and the discharge gap G. The protection circuit protects electrical equipment from lightning by suppressing lightning surge voltage. Further, the lightning-resistant element portions 50a and 50b suppress the overvoltage of the lightning surge, thereby protecting the pair of polymer switch elements 201a and 201b from the overvoltage. Further, when a temperature rise occurs due to self-heating due to the occurrence of a continuation current exceeding the lightning resistance current capacity in the lightning protection element 50, the temperature of the polymer switch elements 201a and 201b integrated with the heated lightning protection element 50 increases, and the resistance value increases. The current flowing through the polymer switch elements 201a and 201b is suppressed, and the lightning protection circuit is protected from overcurrent.
[0028]
Although the lightning-resistant element of the third embodiment is a two-element integrated type, one common electrode is formed on one surface of one plate-shaped voltage-dependent nonlinear voltage element, and three electrodes are formed on the other surface. Three lightning proof element parts are integrated to form a three-element integrated type, and polymer switch elements are integrally laminated on all three lightning proof element parts or only one or two selected. It is also possible.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, the present invention has the following effects.
[0030]
By providing an independent heating element integrally with the polymer switch element, it is possible to provide a multifunctional switch device having an on / off control function of the power supply circuit and also having overcurrent protection. Further, by stacking the polymer switch element and the heating element integrally, it is possible to reduce the size and cost of the multifunctional switch device.
[0031]
In addition, by integrating the lightning protection element with the polymer switching element, the polymer switching element protects the lightning protection element from overcurrent, the lightning protection element protects the polymer switching element from overvoltage, and protects electrical equipment from lightning surge. A multifunctional, compact, and economical switch device having a lightning protection function can be provided, and the switch device has excellent reliability due to the mutual protection function of the lightning protection element and the polymer switch element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view of a polymer switch device according to a first embodiment.
(B) is an equivalent circuit diagram.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a polymer switch device according to a second embodiment.
FIG. 3 is a power supply circuit diagram using the polymer switch device of FIG. 2;
FIG. 4 is a sectional view of a polymer switch device according to a third embodiment.
FIG. 5 is a power supply circuit diagram using the polymer switch device of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Polymer switch device 101 Polymer switch device 102 Polymer switch device 20 Polymer switch element 201a Polymer switch element 201b Polymer switch element 22, 23 Electrode 30 Heating element 31-36 Outgoing terminal 40 Heat generation control means 41 Heat generation control circuit 50 Lightning protection element 50a Lightning protection element Portion 50b Lightning protection device portion 51 Voltage-dependent nonlinear voltage device 52 Common electrodes 53, 54 Electrodes