BRPI0614096A2

BRPI0614096A2 - elemento composto elétrico

Info

Publication number: BRPI0614096A2
Application number: BRPI0614096-3A
Authority: BR
Inventors: Takashi Hasunuma; Johnny Lam; Katsuaki Suzuki
Original assignee: Tyco Electronics Raychem Kk
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2011-03-09
Also published as: KR20080041636A; JPWO2007015418A1; EP1912236A4; EP1912236A1; KR20140129363A; WO2007015418A1; JP5274013B2; CN101238535A; CN101238535B; US20100328832A1; TW200723332A

Abstract

ELEM ENTO COM POSTO ELéTRICO. A presente invenção refere-se a um dispositivo elétrico que funciona ou como um elemento de tipo reversível, ou um elemento de tipo irreversível, dependendo das condições. Tal elemento inclui um elemento PTC polimérico e um elemento fusível com temperatura conectado em série a ele, em cujo elemento composto elétrico o elemento fusível com temperatura é colocado, de tal modo que ele está sob a influência térmica do elemento PTC polimérico, e um pon- to de fusão de um metal que compõe o elemento fusível com temperatura é no mínimo 5 C mais elevado do que um ponto de fusão de um polimero que compõe o elemento PTC polimérico.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ELEMENTOCOMPOSTO ELÉTRICO".

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a um elemento composto elétrico,mais especificamente um elemento composto elétrico que compreende umelemento PTC polimérico e um elemento fusível com temperatura. A presen-te invenção ainda fornece um dispositivo elétrico, tal como um conjunto debaterias (battery pack) secundário que têm um circuito elétrico que contemtal elemento composto elétrico, por exemplo, como um elemento de proteçãode circuito, e um aparelho elétrico, tal como um aparelho de carregamento,um aparelho telefone celular, etc., no qual tal dispositivo elétrico é utilizado.

Antecedente da Técnica

Ao utilizar um dispositivo elétrico tal como um conjunto de bate-rias secundário (por exemplo uma bateria de íons lítio) ou um aparelho elé-tricô que utiliza tal dispositivo, diversas condições anormais podem surgir.Se tais condições normais permanecem sem serem eliminadas, a tempera-tura do dispositivo elétrico ou do aparelho elétrico se eleva, então o disposi-tivo ou aparelho se torna superaquecido e, no pior caso, pode pegar fogo.

Por exemplo, se ocorre uma falha na qual os terminais do dispo-sitivo elétrico entram em curto-circuito, a temperatura do dispositivo elétricosobe até criar uma condição anormal. Contudo, se o curto-circuito dos termi-nais é rapidamente detectado e eliminado, a condição anormal é eliminada.

Por exemplo, ao recarregar um conjunto de baterias secundário, uma condi-ção anormal é criada quando um curto-circuito inesperado ocorre através deum material estranho tal como uma peça de metal que tem condutividadeelétrica (tal como um grampo) entra em contato entre os terminais; remo-vendo tal material estranho a condição retorna ao normal. Tal condição a-normal pode ser descrita como uma condição anormal transitória (por exem-plo, uma condição de falha temporária que pode ser resolvida). Dispositivoselétricos incorporam elementos de proteção de circuito para proteger o cir-cuito durante anormalidades, porém não é necessariamente desejável parao dispositivo de proteção de circuito abrir de maneira permanente o circuitodo dispositivo elétrico quando surge tal condição anormal transitória. Nestecaso, a causa da condição anormal pode ser removida de maneira relativa-mente fácil, por exemplo pelo usuário do dispositivo, de modo que o elemen-to de proteção do circuito é preferivelmente de um tipo reversível que abrede forma temporária o circuito elétrico, isto é, é um elemento reajustável, demodo que o dispositivo elétrico pode ser reutilizado uma vez que a causaseja removida.

Em contraste com o caso acima, se existe uma falha intrínsecano próprio dispositivo elétrico (por exemplo, existe um problema no projetodo circuito do dispositivo elétrico de modo que corrente excessiva flui demaneira inevitável sob uma certa condição), a temperatura do dispositivoelétrico também sobe para criar uma condição anormal. Tal condição anor-mal em geral não pode ter a causa facilmente removida pelo lado do usuáriodo dispositivo. Mesmo se a corrente é cortada e a temperatura do dispositivoelétrico é reduzida, a mesma condição anormal irá surgir ao reaplicar corren-te de maneira acidental, de modo que uma condição extremamente perigosaé criada. Tal condição anormal é uma "condição anormal séria (por exemplo,uma condição de falha intrínseca que não pode ser reparada facilmente)".

Do ponto de vista de segurança, para evitar a repetição da ocorrência deuma condição de superaquecimento (e o perigo de finalmente ocorrer umincêndio) provocado pela reaplicação de corrente sem remover a causa dafalha, o elemento de proteção de circuito incorporado no dispositivo elétricoé preferivelmente de um tipo não reversível, isto é, não reajustável, que abrede maneira permanente o circuito do dispositivo elétrico.

Um exemplo de um elemento elétrico utilizado como um elemen-to de proteção de circuito é um elemento PTC polimérico. Quando correnteexcessiva flui através do elemento, ele se auto-aquece através de calor doefeito Joule e alcança uma temperatura elevada, como resultado do que aresistência aumenta para reduzir a corrente do circuito; assim, o elementotem a função de proteger o circuito. Se ocorre uma anormalidade, não atra-vés de auto-aquecimento do elemento PTC polimérico, mas através de au-mento da temperatura ambiente do elemento, como resultado do que a tem-peratura do elemento PTC sobe, a resistência elétrica do elemento sobe ra-pidamente de maneira similar. Neste caso, se o elemento PTC polimérico éincorporado no circuito elétrico que provoca a condição anormal de subidada temperatura ambiente, a corrente que flui através do circuito é substanci-almente cortada pelo elemento que se tornou de resistência elevada e o a-quecimento é eliminado do circuito, como resultado do que, a temperaturaambiente é diminuída.

Na presente e especificação tal subida rápida da resistência elé-trica do elemento PTC polimérico é descrita como o elemento PTC atuando(ou ativando(ou comutando)), e a temperatura do elemento PTC imediata-mente depois do aumento rápido da resistência é chamada temperatura deatuação (ou de ativação (ou de comutação)). Depois de remover a anormali-dade do circuito elétrico, o valor da resistência elétrica do elemento PTC po-limérico diminui até o valor da resistência elétrica original ou um valor próxi-mo a ele, e não afeta substancialmente quando o aparelho elétrico é reutili-zado depois. Neste sentido, o elemento PTC polimérico é um dispositivo dotipo reversível.

Em uma outra modalidade, um elemento fusível com temperatu-ra é utilizado como um elemento elétrico para um elemento de proteção decircuito. Este é um elemento eletricamente condutor, formado por um metalfacilmente fusível (também pode ser uma liga) em diversas formas (por e-xemplo, arame, tira, placa, e similares). Como no caso de um elemento PTCpolimérico, quando a temperatura ambiente sobe até uma temperatura pres-crita, o elemento derrete e atua para abrir o circuito no qual o elemento fusí-vel está incorporado. A temperatura na qual o elemento fusível atua corres-ponde assim ao ponto de fusão do metal ou liga que compõe elemento fusí-vel, e fusíveis com temperatura, que atuam em diversas temperaturas sãodisponíveis comercialmente como elementos fusíveis. É observado que afunção condutora do elemento fusível não é restaurada depois da fusão,mesmo quando a temperatura retorna para abaixo do ponto de fusão. Nestesentido, o elemento fusível é um elemento do tipo não reversível, isto é, eleé um elemento que abre o circuito de forma permanente.Um elemento de proteção de temperatura no qual um elementoPTC polimérico e um metal que derrete como um elemento fusível são co-nectados em série, está descrito na Referência de Patente 1 a seguir. Esteelemento de proteção utiliza o fato que quando a temperatura ambiente excedeuma temperatura prescrita, o polímero condutor do elemento PTC expandetermicamente e superaquece, como resultado do que, o polímero condutoraquece fazendo com que o elemento fusível derreta. Em outras palavras, oelemento de proteção é projetado de modo que o elemento fusível derretade maneira inevitável quando o elemento PTC é atuado. Em outras palavras,o dispositivo de proteção descrito é de um tipo não reversível, mesmo embo-ra o elemento PTC polimérico seja utilizado.

Referência de Patente 1: Pedido de Patente descrito o número2003-317.593.

Descrição da Invenção

Problema a ser Solucionado pela Invenção

Como descrito acima, diversas condições anormais podem sur-gir em um aparelho elétrico. Quando uma condição anormal ocorre, algunsaparelhos elétricos requerem que o circuito elétrico seja aberto todo o tem-po, porém existem alguns aparelhos elétricos nos quais é desejável que acorrente que flui no aparelho elétrico seja cortada de forma temporária oupermanente, dependendo do tipo de condição anormal que ocorreu. Em ou-tras palavras, existem casos onde é desejável cortar a corrente de formatemporária em uma condição anormal transitória, e cortar a corrente de for-ma permanente em uma condição anormal séria. Em outras palavras, exis-tem casos onde é desejável ter ambas as funções de um elemento do tiporeversível, bem como um elemento do tipo não reversível e exercer qualquerdas funções, dependendo das circunstâncias.

Meios para Solucionar o Problema

Como resultado de consideração cuidadosa do problema acima,foi descoberto que a temperatura do aparelho elétrico (ou dispositivo elétri-co) na condição anormal temporária é relativamente muitas vezes mais bai-xa do que na condição anormal séria; em tais casos não é desejável cortarde maneira permanente o fluxo de corrente através do circuito do aparelhoelétrico (ou dispositivo elétrico), mas, ao invés disto, cortar a corrente deforma temporária. Inversamente, também foi descoberto que na condiçãoanormal séria, a temperatura do aparelho elétrico (ou do dispositivo elétrico)era relativamente muitas vezes consideravelmente mais elevada do que nacondição anormal temporária; em tais casos não é desejável cortar de ma-neira temporária a corrente que flui através do circuito do aparelho elétrico(ou do dispositivo elétrico), mas, ao invés disto, cortar a corrente de formapermanente.

Também foi descoberto que quando o elemento PTC poliméricoestá em um estado atuado, a temperatura do próprio elemento não é muitodiferente do ponto de fusão de um polímero que compõe uma composiçãoeletricamente condutora de um elemento PTC que constitui o elemento se atemperatura ambiente ao redor do elemento é baixa; se a temperatura ambi-ente ao redor do elemento é elevada, por outro lado, a temperatura do pró-prio elemento se torna consideravelmente mais elevada do que o ponto defusão do polímero.

Mais especificamente, considerando a relação entre a tempera-tura do elemento PTC polimérico quando atuado (em particular a temperatu-ra superficial do elemento (e assim uma temperatura de um eletrodo do ele-mento PTC)), isto é, a temperatura do elemento depois que a resistência doelemento PTC polimérico tenha diminuído rapidamente, e a temperaturaambiente ao redor do elemento PTC polimérico, isto é, a temperatura doambiente no qual o elemento está colocado, os resultados a seguir foramencontrados: quando o elemento está em um estado atuado o valor calorífi-co gerado do elemento e o valor calorífico liberado do elemento para o am-biente é equilibrado, e o elemento alcança uma certa temperatura de equilí-brio (esta temperatura de equilíbrio é chamada a temperatura do elementonesta especificação); embora, em uma região onde a temperatura ambienteé suficientemente mais baixa do que o ponto de fusão (por exemplo, cercade 30°C mais baixa ou mais baixa do que o ponto de fusão) do polímero (emparticular polímero cristalino) na composição polimérica condutora utilizadano elemento PTC polimérico, a temperatura do elemento PTC poliméricoestá no ponto de fusão do polímero ou ligeiramente mais elevada, quando atemperatura ambiente sobe, a temperatura do elemento se torna mais ele-vada do que o ponto de fusão do polímero, e quando a temperatura ambien-te excede o ponto de fusão do polímero, a temperatura do dispositivo se tor-na consideravelmente mais elevada (por exemplo 10°C - 20°C mais elevada,ou mais elevada) do que o ponto de fusão do polímero.

Portanto, quando a temperatura ambiente sobe, o elemento PTCpolimérico em um estado atuado pode alcançar uma temperatura considera-velmente mais elevada do que o ponto de fusão do polímero constituinte.

Assim, foi descoberto que se um elemento fusível que atua (isto é, derrete)em tal temperatura elevada, isto é, um elemento fusível cujo ponto de fusãoé consideravelmente mais elevado do que o ponto de fusão do polímero, e oelemento PTC polimérico estão termicamente conectados, a atuação do e-Iemento PTC polimérico não alcançando tal temperatura elevada realiza umafunção reversível, enquanto a atuação do elemento PTC polimérico que al-cançou tal temperatura elevada irá fazer com que o elemento fusível atue ederreta para cortar a corrente de maneira permanente, isto é realize umafunção irreversível.

É observado que se a atuação do elemento PTC polimérico ine-vitavelmente provoca a atuação do elemento fusível, a finalidade da inven-ção não pode ser alcançada. Como descrito acima, a temperatura do ele-mento PTC polimérico quando atuado em uma temperatura ambiente baixaé a ou ligeiramente mais elevada do que o ponto de fusão do polímero, e atemperatura de atuação do elemento fusível também tem alguma tolerância.

Se isto é levado em consideração, a temperatura de atuação do elementofusível, isto é, o ponto de fusão do metal (inclusive liga) que constitui o ele-mento fusível, precisa estar no mínimo 5°C mais elevada do que o ponto defusão do polímero.

Com base no conhecimento descrito acima, a presente invençãofornece um elemento composto elétrico que compreende um elemento PTCpolimérico e um elemento fusível com temperatura conectado em série a ele,o elemento composto elétrico sendo caracterizado pelo fato de o elementofusível com temperatura ser colocado de modo que está sob a influênciatérmica do elemento PTC polimérico, e o ponto de fusão do metal que com-põe o elemento fusível com temperatura sendo no mínimo 5°C mais elevado,preferivelmente no mínimo 10°C mais elevado e mais preferivelmente nomínimo 15°C mais elevado, por exemplo no mínimo 20°C mais elevado doque o ponto de fusão do polímero que compõe o elemento PTC polimérico.

No elemento composto elétrico da presente invenção, o elemen-to PTC polimérico pode ser qualquer elemento PTC polimérico conhecido nocampo da invenção, desde que possa solucionar o problema descrito acima.

Por exemplo, o elemento PTC que constitui o elemento da presente inven-ção que tem uma resistência elétrica na temperatura ambiente (generica-mente na faixa de 20°C - 40°C) de preferivelmente cerca de 5 mQ - 200 mQ,mais preferivelmente cerca de 5 mQ - 100 mQ, e uma resistência elétricadepois da atuação, preferivelmente de no mínimo 500 vezes, mais preferi-velmente no mínimo 1000 vezes, por exemplo 5000 vezes, e de maneiraparticularmente preferível no mínimo 10.000 vezes a resistência elétrica an-tes da atuação (o que é equivalente à resistência na temperatura ambiente).

Genericamente o elemento PTC polimérico compreende um e-Iemento PTC polimérico (por exemplo, um elemento PTC polimérico laminar)formado (por exemplo, por moldagem por extrusão) a partir de uma compo-sição polimérica eletricamente condutora e eletrodos metálicos (por exem-plo, folhas metálicas) ligadas aos dois lados do elemento PTC polimérico. Acomposição polimérica condutora genericamente compreende um polímero(por exemplo, polietileno (PE), polivinilideno fluoreto (PVDF), copolímero eti-Ieno butil acrilato (EBA), copolímero etileno vinil acetato (EVA), etc.), e en-chimentos eletricamente condutores (por exemplo, negro-de-fumo, enchi-mentos de níquel, enchimentos de níquel-cobalto, etc.,) dispersados neles.

Ό polímero que compõe o elemento PTC polimérico" na presente especifi-cação significa meio apenas mencionado tal como um polímero contido nacomposição polimérica eletricamente condutora:

Por exemplo, ao utilizar o elemento composto elétrico da presen-te invenção como um elemento de proteção de circuito para um conjunto debaterias secundário, é desejável que ele apresente a função de um elementodo tipo reversível em condições anormais que ocorrem durante recarrega-mento quando o conjunto de baterias está em uma temperatura de até cercade 60°C. Por outro lado, em condições anormais que ocorrem quando atemperatura do conjunto de baterias excede 90°C, é desejável que o ele-mento apresente a função de um elemento do tipo não reversível. Neste ca-so, um polímero particularmente preferido é EVA ou EBA, e a utilização deum elemento fusível que tem uma temperatura de atuação de 10O0C -110°Cé preferida.

Na presente especificação é observado que o ponto de fusão dopolímero que compõe o elemento PTC polimérico significa uma temperaturamedida por DSC (uma temperatura no topo do pico) com base na JIS K 7121(Método de Medição de Temperaturas de Transição de Plásticos) aplicado àmedição de temperaturas de transição cristalina de plásticos. As condiçõesprincipais de medição são como a seguir:

Condição de temperatura: 20°C -180°CVelocidade de aumento de temperatura: 10°C por minutoAtmosfera de medição: NitrogênioInstrumento: Seiko Instruments Inc. EXSTAR 6000/6200

Na presente invenção o elemento fusível com temperatura é umelemento eletricamente condutor de um metal fusível (que pode ser uma li-ga), genericamente chamado "fusível com temperatura"; tais elementos fusí-veis têm diversas formas, são conhecidos ter diversas temperaturas de atu-ação, e são disponíveis comercialmente. Por exemplo, ligas de estanho,chumbo, bismuto, etc., são utilizadas como o metal fusível. O elemento fusí-vel com temperatura pode compreender elementos eletricamente condutorestais como chumbo em sua extremidade. O elemento composto elétrico dapresente invenção pode compreender um condutor requerido para o elemen-to a ser incorporado em um circuito predeterminado. Também um outro con-dutor pode ser utilizado, se requerido, para conectar entre o elemento PTCpolimérico e o elemento fusível com temperatura. O "ponto de fusão do ele-mento fusível com temperatura" significa o ponto de fusão do metal fusívelque constitui o elemento condutor, e para finalidades práticas uma média datemperatura de atuação fornecida no catálogo de um fusível com temperatu-ra disponível comercialmente pode ser utilizada de maneira razoável comoponto de fusão do elemento fusível com temperatura.

Na presente invenção, "o elemento fusível com temperaturasendo colocado de modo que ele está sob a influência térmica do elementoPTC polimérico" significa que o elemento PTC e o elemento fusível comtemperatura são conectados na colocação de modo que o calor do elementoPTC polimérico é transferido para o elemento fusível, como resultado doque, a atuação do elemento fusível, isto é, a fusão do metal que constitui oelemento fusível com temperatura (e a abertura do circuito daí em diante) éefetuada. Esta conexão pode ser direta ou indireta através de um elementotermicamente condutor.

Em uma modalidade específica preferencial, o elemento PTCpolimérico e o elemento fusível com temperatura estão em contato direto umcom o outro. Por exemplo, é particularmente preferido que uma superfície doelemento PTC (por exemplo, seu eletrodo) ou uma sua parte e uma certasuperfície (superfície externa) do elemento fusível com temperatura ou umasua parte estejam em um contato plano. Neste caso, o calor é transferido demaneira eficiente através do contato plano. Também, desde que o calor doelemento PTC polimérico possa ser transferido para o elemento fusível comtemperatura e possa atuar com o elemento fusível, uma parte de condutor(por exemplo, uma ponta do condutor, uma superfície extrema do condutor,ou similares), do elemento fusível com temperatura possa ser ligada a umeletrodo do elemento PTC polimérico. Neste caso, o contato será substanci-almente um contato pontual ou um contato linear. Além disto, desde que ocalor do elemento PTC polimérico seja transferido para o elemento fusívelcom temperatura, o elemento PTC polimérico e o elemento fusível com tem-peratura podem ser conectados de maneira indireta através de um materialtermicamente condutor. Por exemplo, o elemento PTC polimérico e o ele-mento fusível com temperatura podem ser conectadas por um condutor talcomo um arame metálico, uma tira metálica ou um arame condutor.

Efeito da Invenção

No elemento composto elétrico da presente invenção, o elemen-to PTC polimérico está em um estado atuado sem disparar a fusão do ele-mento fusível com temperatura quando a temperatura ambiente é baixa, istoé, atua como um elemento do tipo reversível enquanto, por outro lado, se oelemento PTC polimérico cai em um estado disparado quando a temperaturaambiente é elevada, ele derrete o elemento fusível com temperatura conec-tado a ele, isto é, atua como um elemento do tipo irreversível.

Quando utilizado como um elemento de proteção de circuito, talelemento composto elétrico da presente invenção atua como um elementode proteção de circuito do tipo reversível com a temperatura ambiente doelemento em uma temperatura relativamente baixa, e atua como um elemen-to de proteção de circuito do tipo irreversível quando a temperatura ambientedo elemento se torna relativamente elevada. Como resultado, o elementocomposto elétrico da presente invenção pode apresentar uma ação funcionaldo tipo reversível ou do tipo irreversível dependendo da condição anormal.

Breve Explicação dos Desenhos

Figura 1: uma vista lateral e uma vista em planta do elementocomposto elétrico da presente invenção são mostradas de maneira esque-mática.

A figura 2: um processo de produção de um elemento compostoelétrico da presente invenção está mostrado de maneira esquemática.

Figura 3: um gráfico que mostra a relação entre as temperaturasambientes ao redor do elemento PTC polimérico A e elemento PTC poliméri-co B, e resistências elétricas (quando sendo não atuados e atuados).

Figura 4: um gráfico que mostra a relação entre a temperaturasuperficial da Temperatura PTC Polimérico A quando atuado e a temperatu-ra ambiente.

Figura 5: um gráfico que mostra a relação entre a temperaturasuperficial do Elemento PTC Polimérico B quando atuado e a temperaturaambiente.Figura 6: a figura 6 mostra a função do tipo irreversível, do ele-mento composto elétrico da presente invenção, no qual um tempo de testes,temperatura ambiente e corrente de vazamento estão mostrados.

Explicação das Legendas

10. elemento composto elétrico12. elemento PTC polimérico14. elemento fusível16, 18. condutor20. substrato de isolamento22. condutor24. contato26, 28 condutor30. camada de resina

Modalidades para Tornar Prática a Invenção

A seguir, o elemento composto elétrico de acordo com a presen-te invenção será explicado de maneira mais específica com referência aosdesenhos anexos. Uma vista lateral esquemática e uma vista em planta es-quemática de um exemplo do elemento composto elétrico da presente in-venção estão mostrados na figura 1a e figura 1 b, respectivamente.

O elemento composto elétrico 10 da presente invenção compre-ende um elemento PTC polimérico 12, um elemento fusível com temperatura14 em uma forma de tira conectados diretamente a um dos eletrodos (nãomostrado) do elemento 12. O elemento PTC polimérico 12 e o elemento fu-sível com temperatura 14 podem ser conectados por qualquer maneira a-propriada, tal como solda elétrica, solda por resistência, solda, solda a laser,e similares. Na modalidade mostrada, o elemento fusível com temperatura14 é ligeiramente dobrado, e sua superfície extrema (substancialmente emuma forma linear) é conectada a um eletrodo de superfície do elemento PTCpolimérico 12.

Também, um condutor 16 (por exemplo um condutor de níquel)é conectado ao outro eletrodo (não mostrado) do elemento PTC polimérico12. Um outro condutor 18 é conectado à outra extremidade do elemento fu-sível 14. Estes condutores podem ser utilizados para conectar o elementocomposto elétrico 10 a um circuito elétrico predeterminado.

Em uma modalidade preferencial da presente invenção o ele-mento composto elétrico é preferivelmente estruturado para ser colocado emum elemento suporte que suporta o elemento. Em outras palavras, o ele-mento composto elétrico da presente invenção é estruturado para colocar oelemento PTC e o elemento fusível sobre o elemento suporte. Quando estru-turado desta maneira, o elemento composto elétrico pode ser tratado comoum único elemento, e a manipulação do elemento composto elétrico é torna-da mais fácil e conveniente. Tal modalidade está mostrada de maneira es-quemática na figura 2. Na figura 2 o processo de produzir o elemento dapresente invenção sobre o elemento suporte está mostrada na ordem.

Primeiro, um substrato de isolamento 20 é preparado, sobre oqual o elemento composto elétrico 10 é colocado. Sobre um substrato deisolamento 20, um condutor 22 a ser conectado ao eletrodo do elementoPTC polimérico 12 foi formado antecipadamente. Na modalidade mostrada,um contato 24 também foi formado antecipadamente sobre o substrato iso-lado, ao qual uma extremidade do elemento fusível com temperatura deveser conectada. Condutores 26 e 28 são conectados ao condutor 22 e contato24 para conectar eletricamente o elemento composto elétrico da presenteinvenção ao circuito elétrico predeterminado.

Como mostrado na vista em planta esquemática da figura 2a, oelemento PTC polimérico 12 e os condutores 26 e 28 são, como mostradopelas setas colocadas sobre o substrato de isolamento 20 tendo o condutor22 e o contato 24 formados antecipadamente, e conectados eletricamente.Esta conexão pode ser realizada de qualquer maneira apropriada; ela podepor exemplo ser realizada por solda de refluxo.

Em seguida, como mostrado na vista em planta esquemática dafigura 2b, o elemento fusível 14 é colocado de modo a montar entre o eletro-do do elemento PTC 20 e o contato 24 e conectado eletricamente. Por meiodisto, o elemento composto elétrico 10 da presente invenção suportado peloelemento suporte 20 é obtido. É observado que condutores 22, 26 e 28, e ocontato 24 são formados como necessário, e não são necessariamente es-senciais ao elemento composto elétrico 10 da presente invenção.

O elemento suporte 20 que suporta o elemento composto elétri-co 10 é colocada em uma localização predeterminada de um dispositivo elé-tricô projetado, ou aparelho elétrico projetado, preferivelmente em uma loca-lização sensível a mudanças de temperatura quando uma condição anormalocorre, e incorporado em uma maneira predeterminada no circuito elétrico. Éobservado que ao invés de um elemento suporte independente como mos-trado, uma parte do dispositivo elétrico ou aparelho elétrico que deve utilizaro elemento composto elétrico, pode ser utilizada como elemento suporte.Por exemplo, uma parte do estojo que contém um eletrólito em um conjuntode baterias secundário que pode ser utilizado como o elemento suporte.

Em seguida, como mostrado na vista em planta esquemática nafigura 2c, o elemento fusível com temperatura 14, bem como suas áreas cir-cundantes, onde necessário, podem ser cobertos com uma camada de resi-na 30. Cobrindo desta maneira com a camada de resina 30, a conexão entreo elemento fusível com temperatura 14 e o elemento PTC polimérico 12 éprotegida para impedir dano mecânico não intencional enquanto, ao mesmotempo, perda de calor, provocada por calor que escapa para a vizinhançaquando calor gerado pelo elemento PTC polimérico é transferido para o ele-mento fusível 14, é suprimido, de modo que o tempo para o elemento fusívelderreter através da temperatura superficial do elemento PTC quando atuadopela ocorrência de uma condição anormal, pode ser encurtado. Em outraspalavras, a sensibilidade para detectar a anormalidade pode ser aprimorada.

Qualquer resina apropriada pode ser utilizada para tal resina,porém, uma vez que existe uma possibilidade de a camada de resina alcan-çar uma temperatura elevada, resinas baseadas em silício (resinas de silico-ne, etc.) por exemplo, podem ser utilizadas. Outras resinas que podem serutilizadas são, por exemplo, resinas epóxi, resinas de uretano e similares.

A figura 2d é uma vista lateral da figura 2c, porém o condutor 22e o contato 24 não estão mostrados. Embora na modalidade mostrada so-mente a extremidade do elemento fusível com temperatura 14 esteja conec-tada ao elemento PTC polimérico 12 (como pode ser visto da figura, tal co-nexão é substancialmente próxima de um contato linear), em uma outra mo-dalidade a porção extrema do elemento fusível com temperatura 14 é plana,e sua superfície inferior pode ser conectada à superfície de eletrodo do ele-mento PTC polimérico, isto é, uma porção do elemento PTC polimérico euma porção do elemento fusível com temperatura podem estar em contatoplano. Neste caso existe uma vantagem, em que o calor do elemento PTCpolimérico 12 é facilmente transferido para o elemento fusível com tempera-tura 14.

Exemplo

Produção de Elementos PTC Poliméricos

Como resumido abaixo, Elementos PTC Poliméricos AeB foramproduzidos utilizando os métodos e materiais conhecidos.

Elemento PTC Polimérico A

Uma composição condutora foi obtida misturando 58% em volu-me de copolímero etileno vinil acetato (EVA, disponível comercialmente sobo nome de produto UE635-000 de Equistar Chemicals; ponto de fusão: cercade 85°C) como o polímero 42% em volume de negro-de-fumo (disponívelcomercialmente sob o nome de produto PM0342 de Columbian Chemical)como o enchimento condutor.

A composição condutora obtida foi extrudada para obter um ex-trudado na forma de folha. Folhas de níquel metálico comercialmente dispo-nível sob o nome de produto NIT-CF-35#31 (folha de cobre folheada a ní-quel) de Fukuda Metal Foil and Powder Industry; espessura 0,035 mm) fo-ram prensadas termicamente em ambas as superfícies como eletrodos, de-pois do que a folha foi dividida para obter Elementos PTC Poliméricos. Adimensão do Elemento PTC Polimérico A era 3,0 mm χ 12,0 mm χ 0,18 mm.

Condutores foram instalados sobre os eletrodos do ElementoPTC Polimérico A assim obtido, e o desempenho básico do Elemento PTCPolimérico A foi medido. Em outras palavras, o Elemento PTC Polimérico Afoi colocado em um forno de temperatura constante e a resistência elétricado Elemento PTC Polimérico A não atuado foi medida enquanto mudando atemperatura do forno de temperatura constante como a temperatura ambien-te. Outro Elemento PTC Polimérico A foi atuado através de uma voltagemaplicada de 5 V CC enquanto mudando a temperatura do forno de tempera-tura constante, e a corrente de vazamento enquanto sendo atuado foi medi-da e a resistência quando atuado foi medida.

Elemento PTC Polimérico B

Uma composição condutora foi obtida misturando 58% em volu-me de copolímero etileno butil acrilato (EBA, comercialmente disponível sobo nome de produto EA705-009 de Equistar Chemicals; ponto de fusão decerca de 95°C) como o polímero e 42% em volume do negro-de-fumo acimamencionado, como o enchimento condutor.

Utilizando a composição condutora obtida, Elementos PTC Poli-méricos B foram obtidos da mesma maneira que Elementos PTC Poliméri-cos A. Condutores foram instalados sobre os eletrodos do Elemento PTCPolimérico B assim obtido e, como antes, a resistência elétrica do ElementoPTC Polimérico B não atuado foi medida; a resistência elétrica do ElementoPTC Polimérico B quando atuado também foi medida. A figura 3 mostra osresultados da medição.

Como está claro da figura 3, ambos os elementos poliméricosPTC obtidos tem a função de um elemento PTC. Por exemplo, a resistênciana temperatura ambiente - baixa temperatura está na ordem de 1 χ 10"2 Ω;quando a temperatura do elemento sobe ou o elemento atua, a resistênciase torna maior por cerca de 5 χ 102 - 1 χ 103 vezes.

Em seguida, com relação ao Elemento PTC Polimérico A e Ele-mento PTC Polimérico B produzidos, as temperaturas superficiais dos ele-mentos quando atuados foram medidas utilizando um forno de temperaturaconstante e mudando a temperatura ambiente dos elementos. A temperaturasuperficial do elemento é medida fixando um termopar sobre a superfície doelemento (isto é, seu eletrodo). Para atuar, 5 V CC foram aplicados como namedição precedente, e a resistência foi obtida medindo a corrente de vazamen-to. Resultados de medição estão mostrados na tabela 1 (elemento A) e tabela2 (elemento B), bem como na figura 4 (elemento A) e figura 5 (elemento B).Tabela 1 (Elemento A)

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Tabela 1 - continuação-

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Tabela 2 (Elemento B)

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Tabela 2 - continuação-

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A partir destes resultados pode ser visto que com qualquer ele-mento PTC polimérico a temperatura superficial do elemento é ligeiramentemais elevada do que o ponto de fusão do polímero, quando a temperaturaambiente ao redor do elemento é consideravelmente mais baixa do que oponto de fusão do polímero, por exemplo, cerca de 35°C mais baixa, en-quanto que, por outro lado, a temperatura superficial do elemento é conside-ravelmente mais elevada do que o ponto de fusão do polímero quando atemperatura ambiente ao redor do elemento é mais elevada do que o pontode fusão do polímero.

No caso do Elemento PTC Polimérico A que utiliza EVA por e-xemplo, a temperatura superficial do dispositivo é cerca de 90°C quando atemperatura ambiente é cerca de 50°C; quando a temperatura ambiente écerca de 85°C a temperatura superficial do dispositivo é cerca de 105°C.Também no caso do Elemento PTC Polimérico A, a temperatura superficialdo dispositivo é cerca de 108°C quando a temperatura ambiente é cerca de90°C. É considerado agora um caso no qual um elemento composto elétricoda presente invenção é composto combinando um elemento fusível comtemperatura que tem um ponto de fusão de 108°C com este dispositivo PTC(diferença do ponto de fusão do polímero = cerca de 23°C) e utilizado comoum dispositivo de proteção de circuito.

Neste caso, se a temperatura ambiente é de menos do que90°C, e o Elemento PTC Polimérico A é atuado, a temperatura superficial doElemento PTC Polimérico não irá exceder 108°C, de modo que o elementofusível com temperatura não irá derreter. Portanto, o elemento compostoelétrico irá funcionar como um elemento de proteção de circuito do tipo re-versível. Contudo, se a temperatura ambiente excede 90°C e o ElementoPTC Polimérico A é atuado, a temperatura superficial do dispositivo PTC iráexceder 108°C e o elemento fusível com temperatura irá dereter. Portanto, oelemento composto elétrico irá funcionar como um elemento de proteção decircuito do tipo irreversível.

Como pode ser visto do acima, mesmo embora o elemento fusívelque atua a 108°C seja utilizado no elemento composto elétrico da presente in-venção, o dispositivo composto pode funcionar como um elemento do tipo irre-versível quando a temperatura ambiente é 90°C. Em outras palavras, é possívelreduzir a temperatura na qual uma condição anormal séria pode ser detectada.Isto porque o calor do elemento PTC polimérico pode ser utilizado.

Em seguida, é considerado um caso no qual um elemento com-posto que funciona como um elemento do tipo irreversível quando a tempe-ratura ambiente excede 90°C, como no caso acima, é composto utilizandoElemento PTC Polimérico Β. Uma vez que com o Elemento PTC PoliméricoB a temperatura superficial do elemento é cerca de 105°C em uma tempera-tura ambiente de 90°C, um elemento fusível que atua a 105°C é utilizado.

Neste caso, ele difere em que a diferença da temperatura de atuação desdeo ponto de fusão do polímero é 10°C, porém substancialmente o mesmo po-de ser dito aqui como o que foi explicado utilizando o Elemento PTC Polimé-rico A como o exemplo.

Assim, combinando um elemento fusível que tem um ponto defusão no mínimo 5°C mais elevado do que o ponto de fusão do polímero quecompõe o elemento PTC polimérico, o elemento composto pode funcionarcomo um elemento do tipo reversível ou irreversível, dependendo da tempe-ratura ambiente. Diversos metais de baixo ponto de fusão (ou ligas) são conhe-cidos como o metal utilizado para o elemento fusível com temperatura, e podemser selecionados de maneira apropriada com base na temperatura ambiente naqual deveria ser determinado que existe uma condição anormal séria, a relaçãoentre a temperatura ambiente do elemento PTC polimérico e sua temperaturasuperficial quando da atuação, bem como o ponto de fusão do metal do ele-mento fusível e a relação entre aquelas e o ponto de fusão do polímero.

Especificamente, um elemento fusível preferivelmente combina-do com um elemento PTC polimérico, pode ser selecionado da maneira aseguir: primeiro, a temperatura ambiente na qual deveria ser determinadoque existe uma condição anormal séria (Ta) é decidida. Esta decisão é a-propriadamente selecionada dependendo do dispositivo elétrico ou aparelhoelétrico que utiliza o elemento composto. Em seguida, a partir de uma rela-ção obtida anteriormente entre a temperatura ambiente do elemento PTCpolimérico e a temperatura superficial do elemento quando atuado, a tempe-ratura superficial do elemento PTC polimérico Ts é obtida quando a tempera-tura ambiente é Ta, e um elemento fusível que atua em Ts é selecionado.

Selecionando desta maneira, quando a temperatura ambiente ao redor doelemento é mais baixa do que Ta, a temperatura superficial do elemento émais baixa do que Ts, e uma vez que o elemento fusível não irá derreter, oelemento tem a função de um elemento do tipo reversível. Por outro lado,quando a temperatura ambiente ao redor do elemento é Ta ou mais elevada,a temperatura superficial do elemento se torna Ts ou mais elevada, e umavez que o elemento fusível irá derreter, o elemento tem a função de um ele-mento do tipo irreversível.

Na prática, se a diferença de temperatura entre Ts, que é tam-bém a temperatura de atuação do elemento fusível, e o ponto de fusão dopolímero é muito pequena, a possibilidade de mau funcionamento do ele-mento pode ser aumentada. Por exemplo, o elemento fusível pode atuar auma temperatura mais baixa do que a temperatura de atuação nominal. Emtal caso, o elemento fusível pode derreter, de modo que o elemento podefuncionar como um elemento do tipo irreversível, mesmo embora ele devafuncionar como um elemento do tipo reversível. Para reduzir a possibilidadede tal mau funcionamento, uma certa quantidade de diferença de temperatu-ra deveria ser ajustada como um fator de segurança entre o ponto de fusãodo metal e o ponto de fusão do polímero no elemento PTC polimérico, a qualestá correlacionada à temperatura superficial do elemento PTC poliméricoquando atuado. No caso do elemento composto elétrico da presente inven-ção, tal diferença de temperatura é no mínimo 5°C. Quanto maior esta dife-rença de temperatura, menor a possibilidade de mau funcionamento.

Portanto, se a diferença de temperatura entre a Ts selecionadacomo descrito acima, e o ponto de fusão do polímero é muito pequena, uma

Ta mais elevada é novamente decidida e, utilizando esta Ta mais elevada oelemento fusível é selecionado como descrito acima. Quando a Ta é feitamais elevada Ts se torna mais elevada, como resultado do que, o ponto defusão do elemento fusível se torna mais elevado, o que torna maior a dife-rença de temperatura entre Ts e o ponto de fusão do polímero.

Um método alternativo pode ser preparar diferentes elementosPTC poliméricos e selecionar um elemento fusível diferente com base narelação entre a temperatura ambiente ao redor dos elementos PTC poliméri-cos e as temperaturas superficiais dos elementos quando atuados, comodescrito acima. Desnecessário dizer, quanto maior a diferença de temperatu-ra entre Ts e o ponto de fusão do polímero, por exemplo, no mínimo 10°C,preferivelmente no mínimo 15°C, e mais preferivelmente no mínimo 20°C, émais preferível em termos de mau funcionamento.

Produção de Elemento Composto Elétrico

Um elemento composto elétrico de acordo com a presente in-venção, como mostrado na figura 2d foi produzido conectando diretamenteem série o Elemento PTC Polimérico A, obtido como descrito acima, e umelemento fusível com temperatura (fabricado por Uchihashi Estec; nome doproduto 44E; temperatura de atuação nominal 108 ° C). Com este elementofusível com temperatura, um arame condutor de um metal fusível é colocadodentro de um cilindro que tem condutores em ambas as extremidades. Nesteelemento composto elétrico, este corpo cilíndrico é posicionado sobre umelemento PTC polimérico colocado sobre um substrato isolante e o corpocilíndrico é ainda coberto com uma camada de resina silicone.

Confirmação de Função Reversível

Depois de medir a resistência elétrica do elemento compostoelétrico produzido como descrito acima, o elemento foi atuado em diversascorrentes de atuação a uma temperatura ambiente (cerca de 23°C) de tem-peratura ambiente. Depois de mantida neste estado, a temperatura foi trazi-da de volta para a temperatura ambiente e a resistência do elemento foi me-dida. Os resultados estão mostrados na tabela 3 e tabela 4.

Tabela 3 (Correntes de atuação 30A e 40A)

<table>table see original document page 21</column></row><table>Tabela 4 (Correntes de atuação 30A e 40A)

<table>table see original document page 22</column></row><table>

Em cada caso a resistência elétrica do elemento está na mesmaordem antes da atuação e depois da atuação. Pode ser visto, portanto, quenenhuma diferença substancial ocorreu na função do elemento, mesmo de-pois da atuação. Em outras palavras, pode ser visto que quando a tempera-tura ambiente é baixa o dispositivo composto apresenta uma função reversível.

Confirmação da Função Irreversível

O elemento composto elétrico fabricado como descrito acima foicolocado em um forno de temperatura constante, e atuado a uma temperatu-ra ambiente de 40°C (corrente de atuação: 3 A), depois do que a temperatu-ra do forno de temperatura constante, isto é, a temperatura ambiente foi au-mentada em cerca de 1°C por minuto e a corrente é medida. Os resultadosestão mostrados na figura 6.

Como pode ser visto da figura 6, a temperatura ambiente ao re-dor do Elemento N2 2 alcançou cerca de 93°C, aproximadamente 47 minutosdepois de iniciar o teste, no qual a corrente de vazamento caiu rapidamentepara zero. Com relação ao Elemento N2 1, a temperatura ambiente alcançoucerca de 85°C aproximadamente 40 minutos depois do início do teste, pontono qual a corrente de vazamento caiu rapidamente para zero. Em outras pa-lavras, pode ser visto que em ambos os casos o elemento composto apre-sentou uma função irreversível com o elemento fusível derretendo. É obser-vado que mesmo embora o elemento fusível que tem a temperatura de atua-ção de 104°C sendo utilizado, a função do tipo irreversível foi apresentadana temperatura ambiente de cerca de 90°C.

O presente Pedido reivindica uma prioridade com base no Pedi-do de Patente Japonês N2 2005-226.210 (depositado em 4 de agosto de2005, título da invenção: Elemento Elétrico Composto) e todo o conteúdo doPedido é incorporado na presente invenção para referência.

Claims

1. Elemento composto elétrico que compreende um elementoPTC polimérico e um elemento fusível com temperatura conectado em sériea ele, cujo elemento composto elétrico é caracterizado pelo fato de o ele-mento fusível com temperaturas ser colocado de tal modo que ele está sob ainfluência térmica do elemento PTC polimérico, e um ponto de fusão de ummetal que compõe o elemento fusível com temperatura que é no mínimo 5 °C mais elevado do que um ponto de fusão de um polímero que compõe oelemento PTC polimérico.

2. Elemento composto elétrico de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o ponto de fusão do metal que compõe o elemen-to fusível com temperatura ser no mínimo 10°C mais elevado do que o pon-to de fusão do polímero que compõe o elemento PTC polimérico.

3. Elemento composto elétrico de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato o ponto de fusão do metal que compõe o elementofusível com temperatura ser no mínimo 20°C mais elevado do que o pontode fusão do polímero que compõe o elemento PTC polimérico.

4. Elemento composto elétrico de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 até 3, caracterizado pelo fato de o polímero que compõe oelemento PTC polimérico ser um etileno vinil acetato copolímero ou etilenobutil acrilato copolímero.

5. Elemento composto elétrico de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 até 4, no qual uma resistência elétrica do elemento PTCpolimérico depois de sua atuação é no mínimo 500 vezes sua resistênciaelétrica na temperatura normal.

6. Elemento composto elétrico de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 até 5, no qual o elemento fusível com temperatura é no mí-nimo coberto parcialmente por uma camada de resina.

7. Elemento composto elétrico de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 até 6, no qual o elemento PTC polimérico é colocado emum substrato de isolamento.

8. Dispositivo elétrico que compreende o elemento composto elé-tricô como definido em qualquer uma das reivindicações 1 até 7.

9. Dispositivo elétrico de acordo com a reivindicação 8, como umconjunto de baterias, no qual o elemento composto elétrico é colocado noexterior de um estojo do conjunto de baterias.

10. Aparelho elétrico que compreende o conjunto de baterias deacordo com a reivindicação 9.

11. Aparelho elétrico de acordo com a reivindicação 10, comoum dispositivo telefone celular.