CN102007561B - 电路保护装置 - Google Patents

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Abstract

公开一种更可靠地保护电路的电路保护装置。该电路保护装置包括电路开关元件和PTC元件，所述电路开关元件包括作为电路开关部件的双金属元件和可动端子。在所述电路保护装置中：(1)所述PTC元件和所述可动端子并联电连接；(2)利用双金属元件在它的致动温度(Top)的致动，所述电路开关元件能够通过移动定位成流通电流的可动端子来切断流过电路开关元件的电流，并且利用双金属元件在它的复位温度(Tcl)的复位，所述电路开关元件能够通过移动定位成流通电流的可动端子来让电流流过电路开关元件；(3)所述双金属元件的致动温度(Top)比所述双金属元件的复位温度(Tcl)至少高20℃；(4)所述PTC元件的触发温度(Ttr)比所述双金属元件的致动温度至少高10℃；并且(5)所述双金属元件设置在所述PTC元件和所述可动端子之间。

Description

电路保护装置
技术领域
本发明涉及一种电路保护装置(或电路保护元件)，更具体地，涉及一种包括电路开关元件(该电路开关元件包括双金属元件和可动端子)和PTC元件的电路保护装置，以及涉及一种具有这种保护装置的电路(或电气设备)。这种电路保护装置可以用作使用各种高压(优选地12V或更大，例如24V或更高)或高电流(优选地15A或更高，例如30A或更大)电池的电路中的保护元件，前述电池例如用于电动汽车、电池致动清洁器、电动工具、无线基站等。请注意，当使用根据本发明的电路保护装置的电动装置(包括电池的各种电动装置)无问题地工作时，上述电压和电流是额定电压和电流。
背景技术
在各种电路中，电路保护装置集合到它的电路中以便当大于额定电压的电压被施加到电路和/或当大于额定电流的电流通过电路时保护集合到电路中的电动/电子装置和/或电动/电子部件。
对于这种电路保护装置，已经提出使用并联连接的作为电路开关元件的双金属元件和PTC元件(参见下面的专利文献)。在这种电路保护装置中，在正常工作条件下(即在电压等于或小于额定电压并且电流等于或小于额定电流的条件下)流过电路的所有电流基本上在电路开关元件的彼此接触的触点之间流动。在过流的条件下，例如，电路开关元件的双金属元件温度升高并被致动，从而它的触点与对应的静止触点分离和打开，从而使得电流转向到PTC元件。结果，过流导致PTC元件被触发并升高到高温、高电阻状态，其基本切断电流流过PTC元件。在这一点上，PTC元件的高温把双金属部分保持在高温，因此，保持电路开关元件的打开状态。换言之，保持电路开关元件的锁存状态。即，在这种电路保护装置中，无需切换电流，因此，在电路开关装置的触点处无电弧。
[现有的专利文献]
专利文献1：
日本专利公开公报No.1999-512598
发明内容
[本发明要解决的技术问题]
发明人研究上述电路保护装置，结果，已注意到，在PTC元件仅相对于电路开关元件并联连接的电路保护装置中，当电路开关元件被致动，双金属元件的触点与它对应的静止触点分离时，在电路开关元件的触点处产生电弧，在更糟糕的情况中，可能会导致触点被熔接并形成熔接区域。当形成这种被熔接的区域时，电路保护装置会失效，并且不能保护集合到电路中的电动/电子装置和/或电动/电子部件。因此，本发明要解决该问题是提供一种能更可靠地保护电路的上述电路保护装置。换言之，当瞬间切断触点之间的电流时，存在在触点之间形成熔接区域的问题。
[解决技术问题的技术方案]
本发明提供一种电路保护装置，包括电路开关元件和PTC元件，所述电路开关元件包括作为电路开关部件的双金属元件和可动端子，所述电路保护装置的特征在于：
(1)所述PTC元件和所述可动端子并联电连接；
(2)利用双金属元件在它的致动温度(Top)的致动，所述电路开关元件能够通过移动定位成流通电流的可动端子来切断流过电路开关元件的电流，并且利用双金属元件在它的复位温度(Tcl)的复位，所述电路开关元件能够通过移动定位成流通电流的可动端子来让电流流过电路开关元件；
(3)所述双金属元件的致动温度(Top)比所述双金属元件的复位温度(Tcl)至少高20℃；
(4)所述PTC元件的触发温度(Ttr)比所述双金属元件的致动温度至少高10℃；并且
(5)所述双金属元件设置在所述PTC元件和所述可动端子之间。本发明还提供一种包括这种电路保护装置的电路，并且还提供一种包括这种电路的电气设备。
[本发明的技术效果]
当本发明的电路保护装置集合到电路中时，可以进一步地抑制在可动端子的触点(也称为可动触点)之间和它们对应的静止端子的触点之间形成熔接区域。结果，进一步提高了电路保护装置的电路保护功能。
附图说明
图1示意地显示集成本发明的电路保护装置的电气设备的电路；
图2显示本发明的电路保护装置的一个实施例的示意剖视图；
图3示意地显示图2的电路保护装置的立体分解图；
图4显示本发明的电路保护装置的一个实施例的示意剖视图；
图5显示用于本发明的电路保护装置的温度与电阻曲线；
图6显示当DC30V/50A施加到集成本发明的电路保护装置的电路时电流/电压随时间变化的平滑线；
图7显示当DC30V/100A施加到集成本发明的电路保护装置的电路时电流/电压随时间变化的平滑线.
[附图标记说明]
1--电路保护装置；3--电路；
5--电气部件；7--电源；
10--PTC元件；12--电路开关元件；
14--双金属元件；16--可动端子；
18，19—触点；20，21--静止端子；
22，23—触点；30--下侧引线；
32--上侧引线；38--基板；40--垫片；
42--上部板；44--销；46--外壳；48--开口；
50--绝缘材料；52--粘合剂。
具体实施方式
通过研究在电路开关元件的触点处形成熔接区域的问题，结果，在包括PTC元件和电路开关元件的电路保护装置中，当采用使用作为电路开关部件的双金属元件时，通过双金属元件的致动(换言之，如下所述的致动和复位)来移动可动端子，流过电路开关元件的电流被切断/接通，
关于形成上述熔接区域的问题，理想地，已经发现：
使用包括双金属元件和可动端子的电路开关元件，其被构造成通过双金属元件(从复位状态的)致动来切断流过电路开关元件的电流，通过双金属元件(从致动状态的)复位来接通流过电路开关元件的电流；并且
当把双金属元件放置在PTC元件和可动端子之间时，
(a)双金属元件的致动温度(Top)比复位温度(Tcl)至少高20℃，并且
(b)PTC元件的触发温度(Ttr)比双金属元件的致动温度至少高10℃。
当双金属元件的温度升高到或超出一定温度或之上时，双金属元件的形状通过双金属元件的致动变化成不同的形状。它致动的温度称为致动温度(Top)。在这种致动期间，处于载流状态的可动端子的可动触点离开静止端子的对应静止触点和与这些触点彼此分离的动作是视觉上的瞬时动作。当该动作被视觉看到时，它能够被认为是在连续和极短时间的逐渐分离动作，其中触点分离。在该极短时间的开始，额定电流在触点之间流动，在该极短时间的结束，触点之间的电流被切断。换言之，在该极短时间的开始，触点之间的电阻基本为零，在该极短时间的结束，电阻无限地升高。
因此，当PTC元件已经被触发并且在触点分开之前处于高电阻状态时，已经在触点之间流动的电流不会平滑地转向到PTC元件。考虑到这，希望当双金属致动并且可动端子的可动触点与它们对应的触点分离时PTC元件具有足够低的电阻。PTC元件的触发温度(Ttr)需要高于双金属元件的致动温度(Top)。作为发明人的经验和试验研究的结果，发现优先地至少高30℃，优选地至少高20℃，更优选地至少高10℃。
当Ttr和Top之间的温度差适当地大时，在双金属致动之后，PTC元件快速地变成高电阻，从而能够立刻切断过流。考虑到此，可以想到上述温度差是适当的。在这种情况中，当如下所述的聚合物PTC元件用作PTC元件时，它的初始电阻(即在触发之前的状态的电阻)相当小，例如与陶瓷PTC元件相比，大概是其1/100，从该点而言，使用这种PTC元件特别地优选。
此外，当Ttr和Top之间的温度差(ΔT1)过大时，流过PTC元件的过流的时间变长，在一些情况中，从电路保护的观点而言，这也许是不期望的。考虑到此，PTC元件的触发温度(Ttr)和双金属元件的致动温度(Top)之间的温度差优选地为70℃或更小，更优选地50℃或更小，更优选地40℃或更小。因此，例如，ΔT1的范围优选地为10℃≤ΔT1≤70℃，更优选地为10℃≤ΔT1≤50℃，并且更优选地为10℃≤ΔT1≤40℃。
请注意，PTC元件的触发温度表示当PTC元件的温度升高时PTC元件的电阻在一定温度附近快速增加(例如103至106倍)的温度。关于该温度，对于商业可获得的PTC元件，可参考制造商或销售商(例如目录、说明书等)提供的信息。例如，Tyco Electronics Raychem的目录，称作致动温度的温度(典型地为数值)被列举成触发温度。
此外，已经达成这样的观点，当PTC元件变成高电阻和被加热时，为了把它的热提供给双金属元件以把双金属元件保持在致动状态，希望将双金属元件放置在PTC元件附近，在它们之间具有间隙(因此，这些元件横跨该间隙彼此面对)。具体地，已经发现，双金属元件优选地放置在PTC元件和可动端子之间。
此外，在致动状态的双金属元件温度降低，并且当该温度等于或低于一定温度时，它会恢复到它的初始形状，结果，分离的触点返回到接触状态。该温度称为复位温度(Tcl)。已经发现，当复位温度很不同于上述致动温度时，在电路保护装置周围的温度还没有充分降低的状态下(即在电路中发生的不正常情况还没有解决的状态下)，过流可能再次流过，从而使得双金属将再次致动。作为进一步研究的结果，已经发现，双金属元件的致动温度(Top)优选地比复位温度(Tcl)至少高20℃，并且更优选地至少高30℃。关于商业可获得的双金属元件的致动温度和复位温度，可以参考制造商提供的信息(例如目录数据、说明书等)。
在本发明的电路保护装置中，电路开关元件包括作为电路开关部件的双金属元件和可动端子。双金属元件是使用双金属的驱动构件。在本发明的电路保护装置中，当双金属元件驱动的可动端子(如果其上设置有触点，这些触点之间(即可动触点))中流动的电流增加到规定电流之上并变得过大时，它从一定形状(以下称为第一形状)变成另一种形状(以下称为第二形状)，结果，作为开关类型的处于相互接触功能的可动端子(或它的触点)从与其接触的端子(例如静止端子的触点或它的触点(即静止触点))分离，或者相反地，使分离的触点相互接触。任何已知双金属元件可以用于双金属元件本身。请注意，这种接触可以是端子之间、设置在端子上的触点之间或端子和触点之间的任一个。
在这种双金属元件中，在较低温度的形状称为第一形状，当元件的温度从该状态增加并且温度超过一定温度时，双金属元件切换到第二形状。另外，当在第二形状的双金属元件的温度下降并且该温度下降到一定温度以下时，双金属元件返回到第一形状。，为了方便，这里从第一形状到第二形状的变化称为“致动”，并且为了方便，从第二形状到第一形状的变化称为“复位”。这种形状的变化用于使已处于接触状态的可动端子(或设置在其上的触点)与静止端子分离，或者使可动端子(或设置在其上的触点)与静止端子形成接触。换言之，双金属元件的形状变化用作改变可动端子(或设置在其上的触点)的位置的驱动力。
第一形状变化到第二形状的温度称为“致动温度(Top)”，并且第二形状变化到第一形状的温度称为“复位温度(Tcl)”。通常，Top高于Tcl。如果复位温度过分地接近致动温度，这会导致的颤动，在该颤动中当设备处于不正常状态时反复切换触点，从而使得电路保护装置不能响应于过流正常地工作。在本发明的电路保护装置中，Top比Tcl至少高20℃，优选地至少高30℃，并且更优选地至少高40℃，例如高45℃。
请注意，如果复位温度过低，双金属元件导致电路保护装置锁存的时间周期变长，这意味着用于电路保护元件返回到它的正常状态的时间变得更长，这一些情况中，从方便的观点看，这在集成电路保护元件的电气设备的使用中不是期望的。例如，在由于高负载导致的过流而已停止的电气设备(例如电钻)能够再次使用之前需要时间。考虑到此，双金属元件的致动温度(Top)和复位温度(Tcl)之间的温度差(ΔT2)例如优选地为60℃或更低，更优先地为55℃或更低，更优选地为50℃或更低。因此，ΔT2的范围例如优选地为20℃≤ΔT2≤60℃，更优选地为30℃≤ΔT2≤55℃，更加优选地为40℃≤ΔT2≤50℃。
对于如上所述的电路开关元件的可动端子，较理想地，在本发明的电路保护装置的使用中，可使用白金、金、银、铜、碳、镍、锡、铅或它们的合金(例如锡-铅合金，银-镍合金等)中的一种。在它们中，特别优选地，可动端子使用银合金(例如银-镍合金等)作为接触材料。当然，对于可动端子的上述说明还可应用到形成可动触点的材料。请注意，在本发明的电路保护装置中，可动端子和静止端子之间的间隙或者可动触点和静止触点之间的间隙优选地相对地小，优选地为0.5mm-4mm，更优选地为2mm或更小，更加优选地为0.7mm-2mm，特别优选地为0.8mm-1.5mm，例如大约1mm。
在本发明的电路保护装置中，例如，较理想地，在双金属元件中可以使用镍、铜、锰、铁、铬、锌、钼和它们的合金(例如镍-铜合金、镍-铁合金等)。在它们中，特别优选地，使用镍-铜-锰、镍-铁等作为双金属元件的材料。
在本发明的电路保护装置中，与电路开关元件并联连接的PTC元件可以是自身用作电路保护装置的传统的PTC元件，并且它的导电元件可以由陶瓷或聚合物材料制成。特别优选的PTC元件是一种称作聚合物PTC元件的PTC元件，和可以适当地使用包括导电聚合物元件的PTC元件，在导电聚合物元件中，导电填充物(例如碳、镍、镍-钴填充物)分散在聚合物材料(例如聚乙烯、聚偏二氟乙烯等)中。
当其中在规定电路中集成本发明的电路保护装置的电装置正常地执行目标功能时，电路中流动的基本所有电流通过电路开关元件。因此，在本发明的电路保护装置中，PTC元件的电阻(触发前的电阻，在室温时的正常电阻)的电阻值是可动端子(或其上设置的触点之间的，这些电阻值通常为0.5毫欧至20毫欧)固有的电阻的至少10倍，优选地为至少50倍，更优选地为至少100倍，并且更加优选地为至少300倍。
图1显示集成在本发明的电路保护装置1中的电路3(被虚线包围)。电路2具有规定的电气元件(例如电动/电子装置或部件等)5，并且电路保护装置1和电源7串联连接。电气元件5被显示为单个元件，但是这表示在电路3中包括单个电元件或多个电元件的集合。
本发明的电路保护装置1包括PTC元件10和电路开关元件12。电路开关元件12包括双金属元件14和可动端子16。可动端子16具有靠近它的末端的可动触点18和19。通过双金属元件14的致动，可动端子16如箭头所示地移动以便与设置在面对的静止端子20和21上的静止触点22和23接触或分离。
在图示实施例中，由于基于双金属元件的温度增加的致动，通过可动端子16向上的运动，已经与静止端子20的触点22接触的可动端子的触点18和已经与静止端子21的触点23接触的可动端子的触点19处于与端子20和21分离的分离状态。在这种状态中，流过电路3的所有电流流过PTC元件，结果，PTC元件变热，这种热量使双金属元件保持致动状态。
相反地，从图1所示的状态，通过双金属元件14的温度降低和双金属的复位，使得触点18和22以及触点19和23相互接触。在该状态中，流过电路3的基本所有电流流过可动端子侧，实际上没有电流流过PTC元件侧。
这样，当双金属元件致动时，触点18和22以及触点19和23从接触状态分离，同时相反地，当双金属元件复位时，处于分离状态的触点18和22以及触点19和23相互接触。因此，在该接触状态，PTC元件和电路开关元件12并联电连接，或者如果没有直接并联电连接，它们被构造成它们能够并联连接。
在电气元件5正常地工作的正常状态中，规定的电流流过电路3，触点18和22以及触点19和23相互接触。从该状态，如果存在过流双金属元件14致动，则该状态变化到图1所示的状态。
图2显示本发明的电路保护装置10的实施例的更加具体的实例的示意剖视图，和图3显示示意立体分解图。在图示的本发明的电路保护装置1中，下侧引线30和上侧引线32分别设置在PTC元件10的下侧和上侧。例如，它们通过焊接电连接。此外，静止端子21和20分别通过例如电阻焊或超声波焊电连接到这些引线30和32。静止端子20和21连接到规定的电路端子等，从而使得本发明的电路保护装置串联地设置在电路中。
基板38还设置在PTC元件10上。在图示实施例中，基板38具有朝上凸出的部分39。双金属元件14、垫片40、可动端子16和上部板42依序设置在该部分39之上。这些通过用销44锻压来集成，如图2所示。请注意，基板38和PTC元件之间的连接可以通过任何适当的方式执行，例如可以采用焊接连接。
在图示实施例中，双金属元件14处于复位状态(即电路正常地工作)。双金属元件14的顶端15与可动端子16分离。结果，设置在可动端子末端上的触点18和19与静止端子20和21的触点22和23接触。因此，当处于该状态的电路保护装置设置在电路(未图示)并且电流流过电路时，电流以静止端子20-＞触点22-＞触点18-＞(可动端子的末端)-＞触点19-＞触点23-＞静止端子21的顺序流动。
在图示实施例中，如果电路发生异常并且流过过量电流时，可动端子16的末端附件温度升高，并且可动端子16温度升高，热量被传递到双金属元件14，从而使得双金属元件14致动。结果，双金属元件14反转，从而使得它的末端15朝上弯曲以抬高可动端子16，可动端子的触点和静止端子的触点之间的接触被释放，即，断开触点22和触点18之间的电连接和断开触点19和触点23之间的电连接。此时，PTC元件10还没有处于触发状态，并且(即因为ΔT1至少为10℃)，它处于充分低的电阻状态，从而使得电流转向并以静止端子20-＞上侧引线32-＞PTC元件-＞下侧引线30-＞静止端子21的顺序流动。
如果电路的异常没有变化，过量电流流过PTC元件10，在PTC元件10触发之后，结果，流过电路的电流基本被切断，从而能够保护电路。请注意，根据上面的说明能够容易地理解，本发明的电路保护装置中的电路开关元件为非载流型(non-current carrying type)电路开关元件，其中电流在可动端子或其上设置的可动触点中流动，并且电流不流过双金属元件自身。
在本发明的电路保护装置中，因为ΔT2至少为20℃，当双金属元件14的温度下降到比致动温度低20℃或更低时，致动状态返回到图2所示的复位状态，结果，分开的触点18和19以及触点22和23返回到接触状态，结果，流过电路的电流从电流以静止端子20-＞PTC元件10-＞静止端子22的顺序流动的状态流动到电流以静止端子20-＞可动端子16-＞静止端子22的顺序流动的状态，如在正常状态。
如图2和图3所示，上述电路保护装置通过开口48插入外壳46内，利用绝缘树脂50和粘合剂52密封该开口。
图4显示本发明的电路保护装置的另一实施例的图2所示的示意剖视图。在图示实施例中，可动端子16具有在它的下表面的钩子54和结构，从而使得双金属元件14的顶端15锁定到钩子54。通过设置这种钩子，双金属元件14致动/复位产生的力可以更可靠地传递到可动端子16。另外，触点附件产生的热量更快地传递到双金属元件14，因此，提高了本发明的电路保护装置的灵敏度。
[实例1]
集成图2所示的电路保护装置10的图1所示的电路3使用以下商业可获得的聚合物PTC元件10、双金属元件14和电气部件5(电阻器，电阻Rf＝0.17Ω)。
PTC元件：由Tyco Electronics Raychem制造，产品名：RXE135(在Tyco Electronics Raychem板上编号PLQ-6NXEC 120 A)，触发温度(Ttr)：125℃
电路开关元件12(由可动端子16和双金属元件14构成的双金属开关)：由Sensata Technologies制造，产品名：Thermal Protector 9700K21-215，可动端子和静止端子之间的距离：1mm，可动触点之间的电阻：11.6mΩ，致动温度(Top)：110℃，复位温度(Tcl)：60℃，静止触点：Ag-Ni+银氧化镉，可动触点：钢-铜+银氧化镉。
电路保护装置的周围温度和电路保护装置的电阻之间的关系显示在图5的图表中。具体地，电路保护装置放置在恒温容器中，它的温度从20℃增加到130℃，然后再次返回到20℃。请注意，测量温度变化期间的电阻值。温度以2℃的增值增加，并保持在增加的温度1分钟。
在图5中，用实线表示升高温度，用虚线表示降低温度。当温度增加时，静止端子和可动端子的触点之间的电阻逐渐地增加。当温度达到110℃时，双金属元件致动，从而使得可动端子和静止端子的触点之间的接触被释放，并且电流在静止端子和PTC元件之间流过。结果，电路保护装置的电阻快速地增加到大致PTC元件的电阻，但是电阻值仍然较低。之后，当温度升高时，PTC元件的电阻在125℃高达大约1000Ω，从而基本切断在电路保护装置中流动的电流。
之后，当温度下降时，电阻如虚线表示地下降。当温度达到60℃时，双金属元件复位，结果，电阻从PTC元件的电阻快速地下降到可动端子和静止端子的触点之间的初始电阻。请注意，ΔT1和ΔT2显示在图5的图表中。
在图1中，DC30V/50A施加到电路，其中如上布置的电路保护装置被集成在其中，并且用集成在图1所示的电路中的电流计A和电压计V测量电流(在双金属开关中流动的电流)和电压(电路保护装置的两个末端之间的电压，即，图1中V测量的电路保护装置的电压降)的波形。测量的电流(实线)和电压(虚线)的波形显示在图6中(振荡波形显示成平滑的)。在图6的图表中，竖直轴线是电压或电流，可以看出，在施加后17.3秒时，双金属元件致动，切断电流。此外，如同图6所示，图7显示当施加DC30V/100A(而不是施加DC50V/50A)时电流/电压和时间之间的关系。在该情况中，可以看出，在施加后5.42秒时，双金属开关致动，并切断电流。在任一种情况中，都证实了本发明的电路保护装置的电路保护功能。

Claims (7)

1.一种电路保护装置，包括电路开关元件和PTC元件，所述电路开关元件包括作为电路开关部件的双金属元件和可动端子，所述电路保护装置的特征在于：
(1)所述PTC元件和所述可动端子并联电连接；
(2)利用双金属元件在它的致动温度(Top)的致动，所述电路开关元件能够通过移动定位成流通电流的可动端子来切断流过电路开关元件的电流，并且利用双金属元件在它的复位温度(Tcl)的复位，所述电路开关元件能够通过移动定位成流通电流的可动端子来让电流流过电路开关元件；
(3)所述双金属元件的致动温度(Top)比所述双金属元件的复位温度(Tcl)高20℃至60℃；
(4)所述PTC元件的触发温度(Ttr)比所述双金属元件的致动温度高10℃至70℃；并且
(5)所述双金属元件设置在所述PTC元件和所述可动端子之间，
其中，所述可动端子具有在它的下表面的钩子(54)，从而使得双金属元件(14)的顶端(15)锁定到钩子(54)。
2.根据权利要求1所述的电路保护装置，其特征在于，所述电路开关元件是非载流型电路开关元件，其中电流流过可动端子，并且电流不流过双金属元件自身。
3.根据权利要求1所述的电路保护装置，其特征在于，所述电路开关元件是非载流型电路开关元件，其中电流流过设置在可动端子上的可动触点，并且电流不流过双金属元件自身。
4.根据权利要求1、2或3所述的电路保护装置，其特征在于，所述PTC元件是聚合物PTC元件。
5.根据权利要求1、2或3所述的电路保护装置，其特征在于，所述PTC元件的电阻为所述双金属元件的电阻的至少10倍。
6.根据权利要求4所述的电路保护装置，其特征在于，所述PTC元件的电阻为所述双金属元件的电阻的至少10倍。
7.一种电路，包括根据权利要求1-6中任一项所述的电路保护装置。
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