CN101178959B - 耐高电压过电流保护元件 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种耐高电压过电流保护元件。所述耐高电压过电流保护元件包含一正温度系数(Positive Temperature Coefficient；PTC)导电散热层及两个金属电极。其中所述PTC导电散热层包含至少一高分子聚合物、一导电填料及一导热填料。通过所述导热填料(导热系数大于1W/mK)的高导热效率，使得所述耐高电压过电流保护元件具有高导热特性，并使其承受电压能均匀分布在PTC导电散热层中以提高其耐高电压特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐高电压过电流保护元件，尤其涉及一种具有正温度系数(PositiveTemperature Coefficient；PTC)特性的耐高电压过电流保护元件。
背景技术
常规的PTC元件的电阻值对温度变化的反应相当敏锐。当PTC元件在正常使用状况时，其电阻可维持极低值而使电路得以正常运作。但是当发生过电流或过高温的现象而使温度上升至一临界温度时，其电阻值会瞬间弹跳至一高电阻状态(例如104欧姆以上)而将过量的电流反向抵销，以达到保护电池或电路元件的目的。由于PTC元件可有效地保护电子产品，因此所述PTC元件已见集成于各式电路元件中，以防止过电流的损害。
应用在高电压(大于250伏)的常规PTC过电流保护元件，在触发时(tripped)在其PTC材料层会出现所谓的热线层(hot line)或热区(hot zone)。热线是因承受大部分的电压而产生高热所造成。此外，热线区域与PTC材料层其它区域相比较下具有较高的电阻值。当电流流经PTC材料层时，热线区域便以较快的速度被加热。当热线区域的温度升高时(其电阻值同时上升)，即使降低流经PTC材料层的电流，因热线区域所增加的电阻值将持续使得热线区域具有较快的加热速率而使得位于热线区域的高分子聚合物发生降解(degradation)现象，最终将导致过电流保护元件的耐电压特性丧失而损坏。
另外，关于应用在高电压的过电流保护元件的制程。美国专利US 5,227,946和US5,195,013所揭示的PTC过电流保护元件，其中所包含的聚合物(polymer)是经过放射线照射(radiation)以增强其物理和电气性质。藉此，可提高所述PTC过电流保护元件的耐高电压特性。然而，利用经放射线照射的聚合物常会伴随降解，将原本的高分子裂解成小分子，而失去原有的物理和电气特性。且利用放射线照射的方式常造成PTC材料层照射不均匀，导致耐电压特性变差。另外，如果是利用钴60γ射线进行照射，因其能量较低，必须花费相当多时间进行，而减低产率throughput)。如果是利用电子束E-beam)进行照射，往往会产生高热而导致内应力产生，且其制程不易控制而影响产品质量，而且其制作成本相对高昂。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高电压过电流保护元件，通过加入一高导热填料，使所述耐高电压过电流保护元件具有高散热特性并使其承受电压(大于250伏)能均匀分布在PTC导电散热层中。藉此，不仅可提升过电流保护元件耐高电压的特性，还可避免利用高剂量的放射线照射交链易造成降解及产生内应力等缺点。
为达到上述目的，本发明揭示一耐高电压过电流保护元件，其包含一PTC导电散热层及两个金属电极。所述PTC导电散热层包含至少一高分子聚合物、一导电填料及一导热填料。其中所述导电填料及所述导热填料均匀分布在所述高分子聚合物中。另外，为使所述PTC导电散热层具有高导热特性，其中所使用的导热填料的导热系数大于1W/mK且在触发时(tripped)所述PTC导电散热层具有一均匀电压分布。所述导热填料与导电填料的重量比是介于0.5至2.0之间。所述导热填料选用有高导热性的材料，主要使用5％至50％重量比的导热陶瓷粉，如：氮化物，氧化物，氢氧化物等。所述两个金属电极置于所述PTC导电散热层的上下表面，用以形成一导电通路。
与常规极高剂量(大于50Mrad)的放射线照射(radiation)制作的耐高电压过电流保护元件相比，本发明具有以下的优点：(1)不需使用放射线照射，所以在PTC导电散热层中不会造成高分子键断裂老化的现象；(2)不需使用放射线照射，所以其制程所需时间远少于常规的耐高电压材料必须经过高剂量放射线(大于50Mrad)照射所需时间，因此可以大幅度提升生产速度；(3)高剂量放射线照射常常因受到其它物件遮蔽而产生照射不均匀的问题，本发明可以完全消除此问题；(4)高剂量电子束(E-beam)放射线照射会产生区域性的高热，造成材料损毁，因此照射时材料温度的控制范围很窄(小于85℃)，但本发明所用的材料的制程条件不受此温度限制，材料质量受温度的影响所产生的变化，也可大幅度减少。
本发明的导电散热PTC可经由化学反应产生交联固化，还可经过较低剂量(不高于20Mrad)的放射线照射达到固化目的。
附图说明
图1为本发明的耐高电压过电流保护元件的示意图；
图2为各温度测量点的位置示意图；
图3(a)及3(b)分别为比较例及第三实施例进行耐高电压测试第3秒拍摄的热像图；
图4(a)及4(b)分别为比较例及第三实施例进行耐高电压测试第5秒拍摄的热像图；
图5(a)及5(b)分别为比较例及第三实施例进行耐高电压测试第7秒拍摄的热像图；
图6(a)及6(b)分别为比较例及第三实施例进行耐高电压测试第15秒拍摄的热像图；
图7(a)及7(b)分别为比较例及第三实施例进行耐高电压测试第30秒拍摄的热像图；及
图8(a)及8(b)分别为比较例及第三实施例进行耐高电压测试第50秒拍摄的热像图。
具体实施方式
以下将通过附图说明本发明的耐高电压过电流保护元件及其制作方法的一实施例。
关于制作方法，首先将批式混炼机(Hakke-600)进料温度设定在160℃，加入预混料(所述预混料置于钢杯先以量匙搅拌均匀)。混炼机旋转的转速为40rpm。3分钟之后，将其转速提高至70rpm，继续混炼12分钟后下料，而形成一具有正温度系数特性的导电复合材料。其中预混料包含第一高密度聚乙烯(HDPE-1)、第二高密度聚乙烯(HDPE-2)、导电填料及导热填料。表一是比较例及本发明的耐高电压过电流保护元件的各实施例的预混料成份。其中实施例1～3的导热填料是使用氮化硼(BN)，比较例的预混料成份则不含导热填料，而是含阻燃剂(氢氧化镁)。表一中的数字均为重量百分比。
表一
| 重量百分比(％) | HDPE-1 | HDPE-2 | 氢氧化镁Mg(OH)2 | 氮化硼(BN) | 碳黑(CB) |
| 比较例 | 33 | 7 | 30 | 0 | 30 |
| 实施例1 | 34 | 5 | 0 | 31 | 30 |
| 实施例2 | 35 | 5 | 0 | 32 | 28 |
| 实施例3 | 35 | 5 | 0 | 34 | 26 |
其中HDPE-1的熔解系数(melt index)为0.7g/10min，比重为0.943；HDPE-2的熔解系数(melt index)为0.05g/10min，比重为0.956；碳黑是采用Columbian Chemicals Company的Raven 430U；氢氧化镁是采用UBE Material Industries Ltd的MgOH-650；氮化硼是采用DENKA的Boron nitride Sp-2。
接着，将所述导电复合材料以上下对称方式置入外层为钢板，中间厚度为所需厚度(2.1mm或3.4mm)的模具中，模具上下各置一层铁氟龙脱模布，先预热8分钟，再压合2分钟(操作压力100kg/cm2，温度为160℃)，经此第一次压合之后形成一具有正温度系数特性的PTC导电散热层11(参看图1)。接着将所述PTC导电散热层11裁切成20×20cm2的正方形，在所述PTC导电散热层11上下表面置一金属箔片再进行第二次压合，其操作条件为先预热5分钟，再压合2分钟(操作压力50kg/cm2，温度为160℃)在所述PTC导电散热层11上下表面分别形成一金属电极12。之后，以模具冲切形成面积7.7mm×7.7mm的耐高电压过电流保护元件10，以供后续的电气特性测试使用。其中所述耐高电压过电流保护元件10的电阻是以微电阻计四线式方法测量。
表二为表一的比较例1与本发明的耐高电压过电流保护元件的实施例1～3的尺寸、体积电阻值(ρ)及高压测试结果比较。
表二
| 尺寸(mm×mm) | 厚度(mm) | 体积电阻值ρ(Ω-cm) | 循环测试(cycles) | 耐高电压测试 | |
| 比较例 | 7.7×7.7 | 3.38 | 8.36 | 0 | 烧毁 |
| 实施例1 | 7.7×7.7 | 3.62 | 5.49 | 5 | 正常 |
| 实施例2 | 7.7×7.7 | 3.36 | 6.23 | 5 | 正常 |
| 实施例3 | 7.7×7.7 | 3.37 | 9.46 | 8 | 正常 |
表二中的循环测试一栏是指将所述耐高电压过电流保护元件的两个金属电极连接于一高电压(600伏)高电流(3安)电源，通电持续1秒后再使其断路持续60秒，此为一个循环(cycle)。耐高电压测试一栏是指将所述耐高电压过电流保护元件的两个金属电极连接于所述高电压(600伏)高电流(3安)电源，通电持续三十分钟，再记录其结果。
表三是比较例及实施例3进行表二中的耐高电压测试时，以热像仪在不同时间点及不同表面位置所测量的温度数据(单位：℃)。参考图2，其是表示各温度测量点a、b、c、d、e、f及g在耐高电压过电流保护元件10中的位置示意图。其中测量点a、b及c位于两个金属电极12间的中心处的PTC导电散热层11表面上，测量点e、f及g则位于靠近下侧的金属电极12的PTC导电散热层11表面上，测量点d则位于靠近上侧的金属电极12的PTC导电散热层11表面上。图3(a)、4(a)、5(a)、6(a)、7(a)及8(a)是比较例分别在施加高电压(600伏)高电流(3安)电源后第3、5、7、15、30及50秒后的红外热像图(infrared thermal image)。图3(b)、4(b)、5(b)、6(b)、7(b)及8(b)是实施例3分别在施加高电压(600伏)高电流(3安)电源后第3、5、7、15、30及50秒后的热像图。
表三
其中ΔTA(t)是中心热线(hot line)层(或称A层，参看图2)的升温值，也就是测量点a、b、c在时间t的温度平均值(A)减去室温25℃；而ΔTB(t)是PTC导电散热层11的表面层(或称B层，参看图2)的升温值，也就是测量点e、f、g在时间t的温度平均值(B)减去室温25℃。例如，ΔTA(50)表示触发50秒时中心热线层与室温的温差(升温值)，也就是测量点a、b、c在时间50秒的温度平均值(A)减去室温25℃。ΔTB(t)/ΔTA(50)，B层升温比率，又称为「表面层升温比率」是以室温为基准在时间t的表面层升温值与在时间50秒中心层的升温值的比值。在比较例中其表面层的升温比率在5秒时仍未达到45％，7秒时仍未达到60％且在15秒时仍未达到80％，然而在实施例3中其表面层升温比率在5秒内已经超过60％且在7秒内已经超过80％，这结果即表示实施例3中材料导热速度远高于比较例中的材料。一般而言，本发明的PTC导电散热层在触发时的表面层升温比率在5秒内已超过60％。
参看图4(a)及4(b)，其分别表示比较例及本发明的实施例3进行表二的耐高电压测试在触发时(tripped)的热像图。图4(b)具有较图4(a)均匀的温度分布(由表三的两行「(A)-(B)」数据可知本发明的实施例3具有较小的温差，即表示PTC导电散热层中间与边缘的温差较小)，其是因本发明的实施例3在触发时，PTC导电散热层11具有一均匀电压分布，而非如比较例单单由热线区域(大于70℃以上的区域，其占PTC导电散热层侧面积的1/4至1/3)承受电压，同时因本发明PTC导电散热层11含有均匀分布的导热填料，可迅速将热量均匀散布(参看图5(a)及5(b)、6(a)及6(b)、7(a)及7(b)、8(a)及8(b))。其中，实施例3在触发时具有一温度分布区域，所述温度分布区域大于80℃且其面积占所述PTC导电散热层11的侧面积50％以上。
由以上表一、表二及表三的实验数据可知，本发明的耐高电压过电流保护元件的实施例1～3因含有一均匀分布在PTC导电散热层的高导热效率的导热填料，使其不需通过放射线照射或化学反应产生的交链反应(cross-linking)，即可承受高电压(600伏)高电流(3安)的耐高电压测试及循环测试。而比较例则无法通过耐高电压测试而烧毁。所述导热填料因均匀分布在所述PTC导电散热层中，当所述耐高电压过电流保护元件连接所述高电压高电流电源时，可迅速将所产生的热量分散，以避免高电流密度区域(high current densityregion)在PTC导电散热层中形成，进而避免热线的形成及所述PTC导电散热层中高分子聚合物的降解。即，所述耐高电压过电流保护元件所承受的电压均匀分布在所述两个金属电极中的PTC导电散热层，而非集中在热线区域。
综上所述，本发明的耐高电压过电流保护元件因具有高导热特性，在触发(trip)状态下，中心热线(hot line)层温度与表面层温度的差距可以快速的降低，使温度分布的均匀性大幅度提高，还可使PTC导电散热层所承受的电压分布的均匀性大幅度提高，因此可有效避免因导热不良以致于电压集中于狭窄热线的区域而导致元件容易毁损。同时，本发明的耐高电压过电流保护元件的制作方法因不需使用到放射线照射，因此可达到避免元件降解、避免产生内应力及提升元件的耐高电压特性的预期目的。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不脱离本发明精神的替换及修改。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不脱离本发明的替换及修改，并为所附的权利要求书所涵盖。
Claims (7)
1.一种耐高电压过电流保护元件，其特征在于包含：
一正温度系数(PTC)导电散热层，包含：
至少一高分子聚合物；
一导电填料，均匀分布在所述高分子聚合物中；及
一导热填料，其中所述导热填料为导热系数大于1W/mK的氮化物，其占所述PTC导电散热层的重量百分比介于30％至35％之间，且均匀分布在所述高分子聚合物中；以及
两个金属电极，分别置于所述PTC导电散热层的上下表面，用以形成一导电通路；
其中所述耐高电压过电流保护元件的承受电压大于250伏且所述PTC导电散热层在触发时具有以下特性：
ΔTB(5)/ΔTA(50)＞60％
其中ΔTB(5)为所述PTC导电散热层的一表面层在触发5秒时与室温的温差，ΔTA(50)为触发50秒时所述PTC导电散热层的一中心热线层与室温的温差。
2.如权利要求1所述的耐高电压过电流保护元件，其特征在于承受电流小于或等于3安。
3.如权利要求1所述的耐高电压过电流保护元件，其特征在于所述导电填料为碳黑。
4.如权利要求1所述的耐高电压过电流保护元件，其特征在于所述氮化物为氮化硼。
5.如权利要求1所述的耐高电压过电流保护元件，其特征在于所述高分子聚合物包含高密度聚乙烯。
6.如权利要求1所述的耐高电压过电流保护元件，其特征在于在触发时具有一温度分布区域，所述温度分布区域大于80℃且其面积占所述PTC导电散热层的侧面积50％以上。
7.如权利要求1所述的耐高电压过电流保护元件，其特征在于所述导热填料与导电填料的重量比介于0.5至2.0之间。
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