CN101051746A - 一种闭路模式过热保护技术 - Google Patents

Abstract

一种闭路模式过热保护技术，所述过热保护技术包括：(1)采用压敏电阻与新型短路保护装置并联；(2)所述新型短路保护装置采用热熔体；(3)所述热熔体至少分为两部，其中至少一部为中空体，另一部为实心体。短路保护装置包括绝缘体基质本体、热形变材料组件、电极、绝缘体外盖；绝缘体基质设有用来装设热变形材料组件的通孔及数个用来装设绝缘体外盖的安装孔；绝缘体基质还设有固定金属电极位；热形变组件由设有热形变材料的小管道及大套管、用于填充大套管内腔的控温可焊易熔合金组成，绝缘体外盖设有与安装孔数量及直径相匹配的伸出脚及供电极伸出绝缘体基质本体外的槽。本发明将现有技术中的开路模式变为闭路模式，安全性系数高。

Description

一种闭路模式过热保护技术

技术领域

本发明涉及电气领域中的过热保护技术，特别涉及一种闭路模式过热保护技术。

背景技术

随着现代电子电气技术的飞速发展，越来越多的电子电气设备(如：电子设备、网络设备、家用电器、电力、电气、医疗、计算机集成电路等等)在各领域被广泛使用，与此同时，这些电子电气设备无一例外都受到了雷电浪涌自然灾害和各种电磁干扰的浪涌电流、浪涌电压的侵害，导致这些设备无法正常工作，严重时会起火燃烧、爆炸等。

解决上述问题的有效办法是在这些设备的输入端并联一组或多组MOV氧化锌压敏电阻，以起到吸收外来的各种浪涌电流和浪涌电压的作用，从而保护了后端的设备，解决了电子设备的浪涌侵害问题；但是，由于MOV氧化锌压敏电阻是一种半导体器件，有其致命的弱点，当其在过电压或大电流冲击时会产生失效，其失效时自身会产生燃烧、爆炸，从而引起火灾造成重大的经济损失，因此，必须对压敏电阻本身也要实施保护措施，防止它的自身发热、燃烧；但是，压敏电阻失效时有时开路，有时不完全短路，具有较大的不确定性，再加上现存的技术上的限制，对压敏电阻实施保护就存在相当多的技术困难，这也是众多压敏电阻厂家多年来未能解决好的难题。

中国是一个能源短缺的国家，同时又是个能源消费大国。经济增长和城市化快速发展对能源供应和利用方式提出了严峻挑战。我国的电力需求近几年出现历史上罕见的持续高速增长，供需矛盾突出，由于电力短缺，故对于电力、电子设备、网络设备、家用电器等涉及到电的新产品的研发成为生产厂家的首要任务，大力发展节能、环保、绿色产品，推进电气节能，对于解决中国能源问题有着重要意义。故党中央将“能源开发与节约并举，节约第一”作为当今社会发展的战略国策，各企业均围绕此中心点发展。

现有技术中的压敏电阻过热保护技术主要有以下几种：

1、热熔保险丝技术。该技术是将用蜡保护的低熔点金属通过一定的工艺装在压敏电阻上，在压敏电阻漏电流过大、温度升高到一定程度时，低熔点金属熔断，从而将压敏电阻从电路中切除，可以有效地防止压敏电阻起火燃烧，但热熔保险丝存在可靠性问题，而且在加热循环的环境中约只有五年可靠寿命。在热循环的环境中，热熔保险丝需定期更换以维持正常运行，此结构成本高，维护保养难度较大，给用户带来了一定的困挠。

2、利用弹簧拉住低熔点焊技术。这种技术是目前绝大多数防雷器厂家的限压型SPD采用的技术，在压敏电阻的引脚处增加一个低熔点的焊锡接点，然后用一根弹簧将焊点拉住，在压敏电阻漏电流过大，温度升高到一定程度时，焊接点的焊锡熔断，在弹簧的拉力作用下焊接点迅速分离，从而将压敏电阻从电路中切除，同时联动告警触点，发出告警信号，因为低熔点金属在受力点会流动和产生裂缝，处于弹簧拉力中的低熔点焊接点的焊锡同样会流动和产生缝隙，因此，这种装置的最大问题是焊锡会老化，从而导致装置会无故断开。同时，拉簧长期处于受力状态，容易失去弹力，装置无法断开，再有，此种结构在生产和用户使用时只能手工焊接，生产效率不到原来的5％，对于同一批次生产的压敏电阻，又由于焊锡量的不同和拉簧力的分散性，从而导致了产品的一致性存在问题。此结构的压敏电阻工作状态不稳定，成本高，不能有效、可靠地起到保护作用。

3、温度保险丝技术。该技术是指将压敏电阻和温度保险丝串联封装在一起，利用热传导将漏电流在压敏电阻上产生的热量传导至温度保险丝上，在温度升高到温度保险丝的设定温度时，温度保险丝熔断，将压敏电阻从电路中切除，温度保险丝除了同样有寿命和可靠性问题外，利用温度保险丝对压敏电阻进行过热保护还存在以下问题：热传导路径长，响应速度过慢，在其结构上热量是先通过一定的绝缘材料传到温度保险丝壳体，然后再传到温度保险丝的内部填充材料，最后才传到温度保险的熔体上，因此，决定了温度保险丝的响应速度慢。同时由于温度保险丝的直径小于压敏电阻的引线直径，从而降低了压敏电阻重要特性参数(通流能力的降低)，另外，由于串联方式导致了压敏电阻的引线电感量的增加，从而限制了压敏电阻在高频领域的使用。

4、隔离技术。该技术将压敏电阻装在一个密闭的盒体内，防止压敏电阻烟雾和火焰的蔓延。在各种后备保护失灵的情况下，隔离技术也不失为一种简单而行之有效方法，但是盒体需要占用较大的空间，对众多不同规格的产品需要与之一一对应的盒体，和需要一一对应的模具去生产，成本太高，同时此种方式下，用户无法快速检测压敏电阻是否失效，只有从设备中焊出，用专业仪表才能检测，相当困难，同时也要防止烟雾和火焰从盒体引线开孔的地方冒出来，成本高，安全性差。

5、护套封装技术。为防止压敏电阻在失效时会冒烟、起火和爆炸，有人采用该技术用护套将压敏电阻封装起来，但由于压敏电阻在失效时内部会出现拉弧，导致密封材料失效，并生产碳，碳的产生又会使电弧得以维持，这样往往会导致设备内部短路及熏黑。实验表明：压敏电阻套上护套后，压敏电阻的散热会受到影响，导致其最大耗散功率降低，从而影响了压敏电阻的工频电压耐受能力，从另一个角度来说，散热受到影响也会加速压敏电阻的老化，影响压敏电阻的使用寿命。

综上所述，现有的压敏电阻的保护技术中均存在以下一些致命的问题：

第一，降低压敏电阻的一些重要特性参数，如通流能力、寿命、工频耐压、高频特性来换取对压敏电阻的不完整保护，这实际上是在一定程度上违背了使用压敏电阻的原意。

第二，这些技术都是采用压敏电阻失效时开路保护模式，其判断失效的依据是压敏电阻的温升。由于结构上的原因决定了必须靠温度梯度的方式来检测，因此，热传导较慢，响应较慢，同时，也受到外围环境温度的影响，因此，不能迅速精确判断故障以引发可靠动作。

第三，结构的适应性差，对不同规格尺寸的产品需要不同的结构，成本高。

第四，由于结构、制造工艺复杂和使用低熔点(120度左右)焊锡，因此，必须采用手工装配操作，效率很低。

第五，由于是开路模式，因此用户在使用中无法快速简单地判断压敏电阻是否已经失效，必须从设备中拆下检测，维修周期和费用高。

因此，现有技术中均存在响应慢、抗震性差、耗材、耗能高、工作不稳定、温控不精确等缺陷；因其自身结构复杂，品种多，故操作复杂，故障率极高，工作生产效率低，适用范围小，给客户带来了一定的麻烦，且产品的维修相当麻烦，费用较高，限制了其市场领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种安全性好、节能、降耗、环保、工作稳定、便于检测、工作效率高的闭路模式过热保护技术。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种闭路模式过热保护技术，所述过热保护技术包括：

(a)采用压敏电阻与新型短路保护装置并联；

(b)所述新型短路保护装置采用热熔体；

(c)所述热熔体至少分为两部，其中至少一部为中空体，另一部为实心体。

所述新型短路保护装置包括：绝缘体基质本体、热形变材料组件、电极、绝缘体外盖；所述绝缘体基质设有用来装设热变形材料组件的通孔及数个用来装设绝缘体外盖的安装孔；所述绝缘体基质还设有固定金属电极的位置；所述热形变组件由设有热形变材料的小管道及大套管、用于填充大套管内腔的控温可焊易熔合金组成，所述绝缘体外盖设有与安装孔数量及直径相匹配的伸出脚；所述绝缘体外盖还设有供电极伸出绝缘体基质本体外的槽。

所述热形变材料为交联聚偏二氟乙烯树脂。

所述热形变材料为交联聚烯烃树脂。

所述大套管的热熔温度为75～180℃。

所述控温可焊易熔合金的热熔温度为150～230℃。

所述中空管道的空气部分的长度为0.5～10mm。

所述中空管道的管径为φ0.5～10mm。

本发明采用上述技术方案后，可以达到以下有益效果：

1、创造性，先进性。本发明将现有技术中的开路保护模式变为闭路保护模式，现有压敏电阻保护技术在正常工作状态下，一般是将保护装置与压敏电阻串联，当遇有非正常过电压或压敏电阻劣化情况时，压敏电阻的漏电流增加，引起自身发热，从而将引发保护装置中的连线断开(开路模式)起到保护作用；此方式响应慢、结构复杂、电感量高，耐压低、成本高，而由于其为机械结构，需焊接、单件生产，效率低、抗震性差、质量不稳定，由于其自身存在的缺陷，这些保护装置最致命的弱点就是不能准确可靠地判断故障出现，因此，还是存在安全隐患，当失效时，容易对电路造成影响。本发明采用特殊的对热敏感(感温用)和对热敏感的变形材料(动作用)设计的无触点、大电流、耐高压的温度开关，将其焊接在压敏电阻的一个电极银面上，而另一端则与压敏电阻另一电极引线相连，实现与压敏电阻并联的接线方式，正常时，保护装置为常开状态，不导电；异常时，压敏电阻本身发热，其热量迅速通过铜电极到达保护装置中的控温可焊易熔合金和热变形材料上，热变形材料的形变温度T1低于控温可焊易熔合金的形变温度T2，当压敏电阻体的温度达到T1时，热变形材料产生对控温可焊易熔合金的压力，当温度达到需要动作的T2时，控温可焊易熔合金迅速熔化，由固态变为液态，同时热变形材料收缩体积变小，由于热变形材料体积收缩比例很大，为2∶1，产生的壁内压力远远大于控温可焊易熔合金的重力，故无论压敏电阻呈何位置(上置、下置、左置、右置)在热变形材料的收缩压力挤压下，使控温可焊易熔合金只能顺着预留的通道到达另一个电极端并自动焊接，从而实现将两个电极的可靠连接短路(连接电阻低于mΩ级)，从而对压敏电器实施了旁路，电流不再流过压敏电阻，而是流进与之并联的保护装置，并引发主回路的电流保险丝而不是温度保险丝(电流保险要比温度保险可靠迅速得多)熔断。因此，可以实施精确可靠的保护，同时用户可以将电流保险丝放置到主回路中不受压敏电阻接线方式和位置空间的影响，方便了用户设计，从而起到保护整个电路的作用，具有高度创造性和先进性。

2、设计简单、合理、高效。本发明克服了现有技术结构复杂的缺陷，采用简单的结构，体积小、热容小，使用热传效率高的金属铜作为电极，并将铜电极直接焊接，接触压敏电阻内部发热源，实现同步传热的快速响应，并可将本装置和压敏电阻直接用环氧树脂封装在一起，保护装置的体积只有0.4cm³左右，还可根据适用环境的需要设置得更小，比其它结构的体积小几倍到十几倍，从而解决了现有产品体积大，热传导距离长，响应缓慢，性能不稳定等缺陷。

3、安全系数高。本发明中的压敏电阻的新型短路保护装置采用了高精度的可焊接控温易熔合金材料和热形变敏感材料，该种合金为一种特殊的材料，具有准确的熔化点和可焊性，该材质的的开关动作机理可靠，可以实现精确快速的温度开关控制，同时开关在动作时是自动牢固焊接，并非机械式触点的接触，不存在氧化、接触不良等问题，因此，此设计的开关具有耐高电压，大电流的能力，同时，该开关动作机理主要是由导电材料固态变为液态(属于材料的本身内在特征)改变导电路径，因此其动作是绝对可靠。另外，该保护装置是先牢固焊接在压敏电阻本体上，然后才被包封层封装，因此不会出现松动等问题，此整体结构将压敏电阻的安全系数大大提高，从而提高了整个被保护电路的安全系数。

4、灵活性高。本发明可根据适用环境的需要将压敏电阻和保护装置的组合和连接设计成任意形式，其固定连接装置可为片状或金属丝等，装设简便，维护保养更便捷。

5、经济实用。本发明无须遵循现有技术落后的结构；拓展了客户的选择空间，适应现今社会更经济实用的要求。

6、美观。本发明构思巧妙、设计独特，产品结构新颖、美观，具备现代社会简洁、实用的审美要求。

7、通用性。本发明中的新型短路保护装置只用一种规格便可用于各种不同规格尺寸的压敏电阻上实施保护，因此，品种可以集中单一化，实现大批量生产，对生产管理、质量控制、检测和生产成本的降低都起到积极的作用。

8、生产效率高。本发明由于其独特的结构，可大批量机械化生产，同时因其工作的稳定性，提高了电路的集成度，使电路更简洁可靠，降低了电子设备的体积和重量，成本低廉。

9、节能降耗。本发明中的压敏电阻及新型短路保护装置结构合理，体积小，品种单一，因此大大降低了材料成本，大规模批量连续生产，大幅降低了能耗，

10、维护简便。本发明可以直接在线检测，无需拆卸，故障可以迅速、准确判断，只需测量压敏电阻两个引线脚之间的阻抗是否短路即可，方便了用户。省时，简便，高效，可靠。

11、使用寿命长。本发明中的压敏电阻及新型短路保护装置采用高强度材料，其合理的结构较现有技术更牢固、可靠，同时由于采用并联结构，所以并不影响压敏电阻的其它特性，如：引线电感量、通流能力、工频耐压、最大功耗等，因而提高了压敏电阻的寿命并扩大了压敏电阻的应用领域，具有广阔的市场经济效益。

附图说明

图1为本发明中压敏电阻与新型短路保护装置正常状态剖视图；

图2为本发明中压敏电阻的新型短路保护装置的立体图；

图3为本发明中压敏电阻的新型短路保护装置的零部件组装图；

图4为图3的剖视图；

图5为本发明中压敏电阻与新型短路保护装置工作状态剖视图。附图标记说明：

1、绝缘体基质

1.1：基质上的安装孔；

1.2：基质上安装感温材料的通孔；

1.3：基质上固定金属电极的位置；

2、电极

2.1：部分伸出绝缘体基质本体外的电极；

2.2：电极在绝缘体基质本体内的部分；

3、电极

3.1：部分伸出体外的电极；

3.2：电极在体内的部分；

4、热形变材料形成的小管道

4.1：热形变材料；

4.2：热形变材料上的大套管部分；

5、控温可焊易熔合金

6、绝缘体外盖

6.1：绝缘体外盖上的伸出脚；

7、绝缘体外盖

7.1：绝缘体外盖上的伸出脚；

8、热形变材料内的中空管道

9、导线

10、压敏电阻的一个电极A面

11、压敏电阻的另一个电极B面

12、与电极A面连通的引出脚

13、与电极B面连通的引出脚

14、压敏电阻本体

14.1、新型短路保护装置；

15、包封层

16、绝缘体基质上的空腔

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

参见图1

图1为本发明中压敏电阻与新型短路保护装置正常状态剖视图。在图1中，将新型短路保护装置14.1放置于压敏电阻本体14的一个电极A面10上，然后将电极3焊接在电极A面10上，实现短路保护装置14.1与压敏电阻14的引出脚12连通，同时，完成了将短路保护装置14.1牢固地固定在压敏电阻14的本体上，将电极2与压敏电阻14的另一个引出脚13通过导线9连接，从而完成短路保护装置14.1与压敏电阻14两引出脚12、13的可靠并联，最后用包封层15将压敏电阻14和短路保护装置14.1包封固化后，就组成具有新型短路保护装置14.1的压敏电阻14，从而形成一种闭路模式过热保护技术，所述包封层15可为耐高温环氧树脂或陶瓷，亦可为其他耐高温材料。

本发明在正常未动作前，由于电极2的位于本体内部分2.2和控温可焊易熔合金5相距有2～5mm的空气距离，因此，电极2和电极3处于常开状态，并不流过电流。

本发明只要改变新型短路保护装置14.1的中空管道8的空气部分的长度，便可改变本装置的耐电压大小，该长度范围可为0.5～10mm。

参见图2

图2为本发明中压敏电阻的新型短路保护装置的立体图。在图2中，所述闭路模式过热保护技术中的压敏电阻14包括绝缘体基质1，电极2和电极3分别从短路保护装置14.1的本体1内两端伸出，所述电极3具有传热、导电和固定短路保护装置14.1的功能，所述电极2用于和压敏电阻14的引出脚13相连(如图1所示)。

参见图3

图3为本发明中新型短路保护装置零部件组装图。在图3中，所述闭路模式过热保护技术中的压敏电阻14的新型短保护装置14.1的绝缘体基质1及绝缘体外盖6、7可由耐高温(大于250℃)、阻燃、绝缘的PPS工程材料构成，亦可由耐高温陶瓷构成，其上设有用于固定安装绝缘体外盖6、7的数个安装孔1.1，所述安装孔1.1的数量及直径与绝缘体外盖6、7伸出脚6.1、7.1的数量及直径相匹配，在绝缘体基质1的中心设有用于安装管道4的通孔1.2，所述管道4由热变形材料4.1制成，所述通孔1.2与管道4的直径相匹配，所述热形变材料4.1为交联聚偏二氟乙烯树脂或交联聚烯烃树脂，上述材料是一种具有对热高度敏感收缩、绝缘、高强度的材料，在绝缘体基质1的两端面上还设有用于安装固定电极2.2的槽位1.3，该电极2.2是由上锡的金属铜片构成。本发明中用以填充于大套管4.2内腔的是Sn，Bi，In等主要成分配制的控温可焊易熔合金5，该合金具有控温精度±2℃温度可调，快速熔化小于60S，可以焊接等重要特性功能。

其组装流程为：将可控温易熔合金5放入热变形材料上的大套管4.2中，然后将热变形材料4.1放入安装通孔1.2中，再将电极2和电极3放入绝缘体基质1上固定金属电极的位置1.3、1.4(基质上固定金属电极位1.4和基质上固定金属电极位1.3相似，在绝缘体基质1的另一端面)上卡住，最后，将绝缘体外盖6和绝缘体外盖7的伸出脚6.1和7.1(可为数个)对应插入绝缘体基质1上与其相匹配的安装孔1.1(可为数个)中，实施紧配，即得成品。

参见图4

图4为图3的剖视图。在图4中，所述闭路模式过热保护技术中的压敏电阻14的新型短路保护装置14.1至少分为两部，其中至少一部为中空管道8，另一部为填充可焊易熔金5的实心体，所述控温可焊易熔合金5被热形变材料4紧紧套住，并被固定在绝缘体基质1上的安装感温材料的通孔1.2中，无法松动，控温可焊易熔合金5的一个端面与电极3的电极体内的部分3.2紧密接触，另一端面与电极2在绝缘体基质本体内的部分2.2及由热变形材料4.1形成的小管道壁4围成中空管道8。

参见图5

图5为本发明中压敏电阻与新型短路保护装置工作状态剖视图。正常状态下，压敏电阻14的漏电流从与电极A面连通的引出脚12通过压敏电阻本体14流向与电极B面连通的引出脚13，该漏电流很小，只有微安级，并不足以引起压敏电阻本体14的温升，当漏电流开始逐渐增大，此时，压敏电阻14因该漏电流的增大而导致压敏电阻本体14的温度升高，由于电极3是铜电极，具有优异的热传导功能，而因电极3具有一定面积，且其与压敏电阻本体14具有良好的热电接触，所以该热量通过电极3在本体内部分3.2被迅速同步传到热形变材料4.2和与其相连的控温可焊易熔合金5上，当温度上升到热形变材料4.1的形变温度T1时(75～180℃)，热形变材料大套管4.2部分开始形变收缩，当升至对控温可焊易熔合金5的熔化温度T2时(150～230℃)，控温可焊易熔合金5迅速熔化，由固态变为液态，在T2温度下，热形变材料4最终收缩，在热形变材料4的压力下向中空管道8流动，到达电极2，并实施自动焊接，控温可焊易熔合金5流动填满该直管，从而将电极3和电极2短路，短路电阻小于mΩ级，并将压敏电阻14的两引出脚12和13短路，此后电流将改向流径12-10-3-2-9-13的方式，不再是12-10-14-11-13路径，电流不再流过压敏电阻14，从而将产生温升的问题根本解决，同时，由于本发明的短路保护装置14.1的短路动作可以流过较大的短路电流，该电流导致外置于压敏电阻14处的主回路上的电热保险丝熔断，切断供电回路，从而实现了对负载或压敏电阻14的完全保护，形变成图5中直管道状态。

本发明只需用万用表检测引脚12和13之间是否短路，便可判断该压敏电阻14是否失效，方便，快捷，可靠，只要改变中空管道8的管径便可改变流过该装置的最大电流，管径的范围可为φ0.5～10mm。

本发明的其他技术可采用现有技术。

本发明的最佳实施例已阐明，本领域的普通技术人员根据本发明做出的任何改进均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种闭路模式过热保护技术，其特征在于：所述过热保护技术包括：

(a)采用压敏电阻(14)与新型短路保护装置(14.1)并联；

(b)所述新型短路保护装置(14.1)采用热熔体；

(c)所述热熔体至少分为两部，其中至少一部为中空体，另一部为实心体。

2、根据权利要求1所述的一种闭路模式过热保护技术，其特征在于：所述新型短路保护装置(14.1)包括：绝缘基质本体(1)、热形变材料组件、电极(2、3)、绝缘体外盖(6、7)；所述绝缘体基质(1)设有用来装设热变形材料组件的通孔(1.2)及数个用来装设绝缘体外盖(6、7)的安装孔(1.1)；所述绝缘体基质(1)还设有固定金属电极(2、3)的位置(1.3)；所述热形变组件由设有热形变材料(4.1)的小管道(4)及大套管(4.2)、用于填充大套管(4.2)内腔的控温可焊易熔合金(5)组成，所述绝缘体外盖(6、7)分别设有与安装孔(1.1)数量及直径相匹配的伸出脚(6.1、7.1)；所述绝缘体外盖(6、7)还设有供电极(2、3)伸出绝缘体基质本体(1)外的槽(1.3)。

3、根据权利要求2所述的一种闭路模式过热保护技术，其特征在于：所述热形变材料(4.1)为交联聚偏二氟乙烯树脂。

4、根据权利要求2所述的一种闭路模式过热保护技术，其特征在于：所述热形变材料(4.1)为交联聚烯烃树脂。

5、根据权利要求2所述的一种闭路模式过热保护技术，其特征在于：所述大套管(4.2)的热熔温度为75～180℃。

6、根据权利要求2所述的一种闭路模式过热保护技术，其特征在于：所述控温可焊易熔合金(5)的热熔温度为150～230℃。

7、根据权利要求2所述的一种闭路模式过热保护技术，其特征在于：所述中空管道(8)的空气部分的长度为0.5～10mm；所述中空管道(8)的管径为φ0.5～10mm。

8、根据权利要求2所述的一种闭路模式过热保护技术，其特征在于：所述绝缘体基质(1)及绝缘体外盖(6、7)为PPS工程材料。

9、根据权利要求2所述的一种闭路模式过热保护技术，其特征在于：所述绝缘体基质(1)及绝缘体外盖(6、7)为陶瓷。

10、根据权利要求2所述的一种闭路模式过热保护技术，其特征在于：所述压敏电阻(14)、新型短路保护装置(14.1)外设有包封层(15)，所述包封层(15)为环氧树脂或陶瓷。

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