CN103730219A - 高分子正温度系数过电流保护装置 - Google Patents

Abstract

一种高分子正温度系数过电流保护装置，包含：第一电极层与第二电极层；及一个设置且层压于该第一电极层与该第二电极层间的正温度系数元件，使该第一电极层、该正温度系数元件与该第二电极层形成一个层板，该正温度系数元件包括导电填充料、及高分子材料的高分子层。该导电填充料是分散于该高分子层中，且该导电填充料具有碳粉及陶瓷粉体。以该正温度系数元件的总重为100wt%，该正温度系数元件包括11～14wt%该高分子材料、2～13wt%该碳粉及73～87wt%该陶瓷粉体。本发明可应用于较高的电压及电流，且能克服需要使用阻燃剂及抗电弧剂的缺点。

Description

高分子正温度系数过电流保护装置

技术领域

本发明涉及一种高分子正温度系数过电流保护装置，特别是涉及一种包含一个具有含有碳粉及陶瓷粉体的导电填充料的正温度系数元件的高分子正温度系数过电流保护装置。

背景技术

现有的高分子正温度系数(polymer positive temperaturecoefficient,PPTC)过电流保护装置一般包含一个夹置于二电极间的正温度系数元件。该正温度系数元件包括高分子基质及分散于该高分子基质中的碳黑粉体。由于碳黑粉体具有较高的电阻率，因此利用碳黑粉体作为导电填充料的一般过电流保护装置容易具有较低的导电性，且其应用受限于低电压及低电流(电流密度不大于0.07A/mm²)。

美国专利7,382,224号揭示一种包含一个正温度系数元件的高分子正温度系数过电流保护装置，是以一导电陶瓷粉体取代上述过电流保护装置中的碳黑粉体，以提升高分子正温度系数过电流保护装置的导电性，适用于高电压及高电流的应用。该高分子正温度系数过电流保护装置在21～26℃的电阻率小于0.1Ω·cm，且能在40Vdc以内的电压及50A以内的电流下运作。然而，为了使该高分子正温度系数过电流保护装置能在高电压及高电流的条件下操作，该正温度系数元件的组成需要使用阻燃剂及抗电弧剂(anti-arcing agent)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以克服上述现有技术缺点的高分子正温度系数过电流保护装置。

本发明高分子正温度系数过电流保护装置，包含：第一电极层与第二电极层；及一个设置且层压于该第一电极层与该第二电极层间的正温度系数元件，使该第一电极层、该正温度系数元件与该第二电极层形成一个层板，该正温度系数元件包括导电填充料、及高分子材料的高分子层。该导电填充料是分散于该高分子层中，且具有碳粉及陶瓷粉体。以该正温度系数元件的总重为100wt%，该正温度系数元件包括11～14wt%该高分子材料、2～13wt%该碳粉及73～87wt%该陶瓷粉体。其中，该高分子正温度系数过电流保护装置在电流密度大于0.08A/mm²时的击穿电压大于23Vdc。

较佳地，该第一电极层与该第二电极层是以金属箔所制成。

较佳地，该正温度系数元件在21～26℃的电阻率小于0.2Ω·cm。

较佳地，该陶瓷粉体是选自于导电氧化物粉体、导电碳化物粉体、导电氮化物粉体、导电硼化物粉体、导电硫化物粉体、导电硅化物粉体或其组合。

较佳地，该陶瓷粉体是碳化钛粉体。

较佳地，该高分子材料具有接枝的聚烯烃及非接枝的聚烯烃。

较佳地，该接枝的聚烯烃是不饱和羧酸接枝的高密度聚乙烯。

较佳地，该非接枝的聚烯烃是非接枝的高密度聚乙烯。

本发明的有益效果在于：本发明高分子正温度系数过电流保护装置由于其正温度系数元件包括2～13wt%该碳粉及73～87wt%该导电陶瓷粉体，可应用于较高的电压及电流，且能克服需要使用阻燃剂及抗电弧剂的缺点。

附图说明

图1是一个立体组合透视图，说明本发明高分子正温度系数过电流保护装置的较佳具体实施例；

图2是一个该较佳具体实施例的立体分解透视图；及

图3是一个该较佳具体实施例的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

参阅图1～3，本发明较佳具体实施例的高分子正温度系数电路保护装置包含：第一电极层与第二电极层3；及一个设置且层压于该第一电极层与该第二电极层3间的正温度系数元件2，使该第一电极层3、正温度系数元件2与该第二电极层3形成一个层板，该正温度系数元件2包括导电填充料21、及高分子材料的高分子层22。该导电填充料21是分散于该高分子层22中，且具有碳粉及导电陶瓷粉体。较佳地，以该正温度系数元件2的总重为100wt%，该正温度系数元件2包括11～14wt%该高分子材料、2～13wt%该碳粉及73～87wt%该陶瓷粉体。更佳地，以该正温度系数元件2的总重为100wt%，该正温度系数元件2包括11～14wt%该高分子材料、4～10wt%该碳粉及77～85wt%该陶瓷粉体。

在本具体实施例中，该第一电极层与该第二电极层3是以金属箔(例如：镀镍的铜箔)所制成，且该正温度系数元件2在21～26℃的电阻率小于0.2Ω·cm。

较佳地，该高分子正温度系数过电流保护装置在电流密度大于0.08A/mm²时的击穿电压(breakdown voltage)大于23Vdc。该电流密度定义为施加于该高分子正温度系数过电流保护装置的最大可耐受工作电流(endurable working current)与该高分子正温度系数过电流保护装置的表面积的比值。

较佳地，该导电陶瓷粉体是选自于导电氧化物粉体、导电碳化物粉体、导电氮化物粉体、导电硼化物粉体、导电硫化物粉体、导电硅化物粉体或其组合。更佳地，该导电陶瓷粉体是碳化钛粉体。

较佳地，该碳粉是具有邻苯二甲酸二丁酯(dibutyl phthalate,DBP)吸收值与粒径(particle size)的比值(DBP/D)为0.1～3.0的碳黑粉体。

较佳地，该高分子材料具有接枝的聚烯烃(grafted polyolefin)及非接枝的聚烯烃。更佳地，该接枝的聚烯烃是不饱和羧酸接枝的高密度聚乙烯，且该非接枝的聚烯烃是非接枝的高密度聚乙烯(摩尔质量为50,000～300,000g/mol)。

本发明将就以下实施例作进一步说明，但应了解的是，所述实施例仅为例示说明用，而不应被解释为本发明实施的限制。

＜实施例1＞E1

将8.05g高密度聚乙烯(HDPE)(高分子1)、8.05g不饱和羧酸接枝的高密度聚乙烯(G-HDPE)(高分子2)、12.65g碳黑粉体(导电填充料1)(商标名：Raven430UB，DBP/D=0.95，体密度为0.53g/cm³，导电率为2.86×10⁴m^-1Ω^-1，购自于Columbian化学公司)及17.5g碳化钛(导电填充料2)(薄片状，密度为4.92g/cm³，残留氧含量为0.4%，起始氧化温度为450℃，导电率为164×10⁴m^-1Ω^-1)置于Brabender掺合机中掺合。掺合温度为200℃，搅拌速率为60rpm，掺合时间为10分钟。将掺合所得的混合物置于模具中，接着以热压机加热并加压，以形成一个厚度为0.35mm的正温度系数(PTC)元件。热压温度为200℃，热压时间为4分钟，热压压力为80kg/cm²。将两片镀镍的铜箔附着于该正温度系数元件的两相反表面，接着以与上述形成该正温度系数元件相同的条件加热加压，得到该正温度系数元件与该铜箔的三明治层板。将该三明治层板裁切成每一片尺寸为7.6mm×7.6mm的正温度系数小片。以150kGy的γ射线(Co-60)照射所述正温度系数小片，并测量其电阻。计算实施例1的所述正温度系数小片的平均体积电阻率(V-R)及平均电阻，并将结果列于下表1。

表1

^*CB表示碳黑；

^#P/CB表示高分子(高分子1及高分子2)与碳黑的重量比值。

＜实施例2～11＞E2～E11

除改变每一片正温度系数小片的正温度系数元件的成分含量(如表1)外，实施例2～11的制备步骤及条件与实施例1相同。每一个实施例2～11的所述正温度系数小片的平均体积电阻率(V-R)及平均电阻的结果列于表1。

＜比较例1～5＞CE1～CE5

除改变每一片正温度系数小片的正温度系数元件的成分含量(如表1)外，比较例1～5的制备步骤及条件与实施例1相同。每一个比较例1～5的所述正温度系数小片的平均体积电阻率(V-R)及平均电阻的结果列于表1。

[击穿(Breakdown)测试]

对每一个实施例E1～E11及比较例CE1～CE5分别取五片正温度系数小片进行击穿电压测试，以测定每一个实施例E1～E11及比较例CE1～CE5的所述正温度系数小片被烧毁的平均击穿电压。此击穿电压测试是(在100A的固定电流下)从8Vdc的起始电压，以每步4Vdc的增加速率逐步提高施加于每一片正温度系数小片的电压～每一片正温度系数小片的击穿电压。击穿电压测试的结果显示于表2。

[维持电流(Holding current)测试]

对每一个实施例E1～E11及比较例CE1～CE5分别取十片正温度系数小片进行工作电流测试，以测定每一个实施例E1～E11及比较例CE1～CE5的所述正温度系数小片维持在开启状态(ON state)15分钟而不发生跳脱(tripping)的平均最大可耐受工作电流。此维持电流测试是在施加16Vdc的固定电压于每一片正温度系数小片下进行。维持电流测试的结果显示于表2。

表2

比较例1的正温度系数小片(正温度系数元件中不含碳化钛)显示出32Vdc的击穿电压及0.07A的最大可耐受工作电流。虽然比较例2的正温度系数小片(正温度系数元件中含72wt%碳化钛)显示出60Vdc的击穿电压，仍然只能获得0.07A的最大可耐受工作电流。此外，虽然比较例5的正温度系数小片(正温度系数元件中不含碳黑粉体)显示出0.21A的最大可耐受工作电流，仍然只能获得8Vdc的击穿电压。

[耐久性(Endurance)测试]

对每一个实施例E1～E11及比较例CE1～CE5分别取十片正温度系数小片进行耐久性测试，以测定每一个实施例E1～E11及比较例CE1～CE5的耐久性通过率(passing rate)(n/10×100%，n表示通过耐久性测试而没有烧毁的正温度系数小片数量)。此耐久性测试是(在16Vdc及100A下)接通每一片正温度系数小片60秒，接着切断60秒，如此进行7200次循环。分别测量7200次循环前及循环后的每一片正温度系数小片的电阻(R_ei及R_ef)，测定每一个实施例E1～E11及比较例CE1～CE5的平均电阻变化百分率(R_ef/R_ei×100%)。耐久性测试的结果显示于表3。

[老化(Aging)测试]

对每一个实施例E1～E11及比较例CE1～CE5分别取十片正温度系数小片进行老化测试，以测定每一个实施例E1～E11及比较例CE1～CE5的老化通过率(passing rate)(n/10×100%，n表示通过老化测试而没有烧毁的正温度系数小片数量)。此老化测试是施加16Vdc的电压及100A的电流于每一片正温度系数小片168小时。分别测量施加168小时前及施加后的每一片正温度系数小片的电阻(R_ai及R_af)，测定每一个实施例E1～E11及比较例CE1～CE5的平均电阻变化百分率(R_af/R_ai×100%)。老化测试的结果显示于表3。

表3

虽然比较例2(正温度系数元件中含14wt%碳黑及72wt%碳化钛)具有100%的耐久性通过率及100%的老化通过率，所述正温度系数小片仍然只能获得0.07A的最大可耐受工作电流。

综上所述，本发明高分子正温度系数过电流保护装置由于其正温度系数元件2包括2～13wt%该碳粉及73～87wt%该导电陶瓷粉体，相较包括单独碳黑粉体的一般过电流保护装置，可应用于较高的电压及电流；相较美国专利7,382,224号揭示的现有过电流保护装置，能克服需要使用阻燃剂及抗电弧剂的缺点。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例与具体例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利的范围。

Claims (9)

1.一种高分子正温度系数过电流保护装置，其特征在于其包含：

第一电极层与第二电极层；及

一个正温度系数元件，设置且层压于该第一电极层与该第二电极层间，使该第一电极层、该正温度系数元件与该第二电极层形成一个层板，该正温度系数元件包括导电填充料、及高分子材料的高分子层，该导电填充料是分散于该高分子层中，且该导电填充料具有碳粉及陶瓷粉体；

其中，以该正温度系数元件的总重为100wt%，该正温度系数元件包括11～14wt%该高分子材料、2～13wt%该碳粉及73～87wt%该陶瓷粉体。

2.根据权利要求1所述的高分子正温度系数过电流保护装置，其特征在于：该第一电极层与该第二电极层是以金属箔所制成。

3.根据权利要求1所述的高分子正温度系数过电流保护装置，其特征在于：该正温度系数元件在21～26℃的电阻率小于0.2Ω·cm。

4.根据权利要求1所述的高分子正温度系数过电流保护装置，其特征在于：该陶瓷粉体是选自于导电氧化物粉体、导电碳化物粉体、导电氮化物粉体、导电硼化物粉体、导电硫化物粉体、导电硅化物粉体或其组合。

5.根据权利要求1所述的高分子正温度系数过电流保护装置，其特征在于：该陶瓷粉体是碳化钛粉体。

6.根据权利要求1所述的高分子正温度系数过电流保护装置，其特征在于：该高分子材料具有接枝的聚烯烃及非接枝的聚烯烃。

7.根据权利要求6所述的高分子正温度系数过电流保护装置，其特征在于：该接枝的聚烯烃是不饱和羧酸接枝的高密度聚乙烯。

8.根据权利要求6所述的高分子正温度系数过电流保护装置，其特征在于：该非接枝的聚烯烃是非接枝的高密度聚乙烯。

9.一种高分子正温度系数过电流保护装置，其特征在于其包含：

第一电极层与第二电极层；及

一个正温度系数元件，设置且层压于该第一电极层与该第二电极层间，使该第一电极层、该正温度系数元件与该第二电极层形成一个层板，该正温度系数元件包括导电填充料、及高分子材料的高分子层，该导电填充料是分散于该高分子层中，且该导电填充料具有碳粉及陶瓷粉体；

其中，以该正温度系数元件的总重为100wt%，该正温度系数元件包括11～14wt%该高分子材料、2～13wt%该碳粉及73～87wt%该陶瓷粉体；及

其中，该高分子正温度系数过电流保护装置在电流密度大于0.08A/mm²时的击穿电压大于23Vdc。

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