CN1285081C - 过电流保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种过电流保护装置，包含一电流检测元件及二电极。该电流检测元件由一具有正温度系数的导电复合材料所形成，包含至少一聚合物、一导电填料及一非导电填料。其特征在于该至少一聚合物的熔点高于110℃，且其卫式软化点低于110℃。此外，可将放射线的累积照射量维持在20Mrads以上，以增加该过电流保护装置的热稳定性及电气稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种过电流保护装置，更具体而言，涉及具有正温度系数的导电复合材料为电流检测元件的过电流保护装置。
背景技术
为防止发生电池过电流(over-current)或是过高温(over-temperature)现象的过电流保护装置，随着目前便携电子仪器的广泛应用，例如手机、笔记型电脑、手提摄影机及个人数位助理器(PDA)等，其重要性也愈来愈显著。
已知的电池过电流保护装置各种各样，包括温度保险丝(Thermal-Fuso)、双金属保险器或正温度系数(PTC：Positive ThermalCoefficient)过电流保护装置等。其中，由于PTC过电流保护装置具有不需更换即可重复使用、对温度敏感及可靠稳定等优点，所以目前已被普遍应用于电池的过电流保护，尤其是应用于二次电池的过电流保护装置，例如镍氢电池或是锂电池等。
PTC过电流保护装置是利用一具有正温度系数的导电复合材料，作为电流检测元件。由于该正温度导电复合材料的电阻值对温度变化反应敏锐，在正常使用状况时，PTC过电流保护装置的电阻可维持极低值，使电路得以正常运作。但是当电池不当使用而发生过电流(overcurrent)或过高温(over temperature)的现象时，PTC过电流保护装置的电阻值会瞬间提高数万倍至一高电阻状态(例如104ohm)，而将过量的电流抵销，以达到保护电路元件及电池的目的。
一般而言，PTC过电流保护装置需具备以下特性：
1.低电阻：即使电池在正常放电(discharge)的状况下，也会困其电路末端的电子仪器的需求，偶尔会有瞬间大量电流的流通。此时，若PTC过电流保护装置的电阻值过高，则会造成供电电压下降(Voltage Drop)，而导致电子仪器的电路及其他元件无法正常运作。因此在正常的使用状况下，PTC过电流保护装置的电阻应保持小于30毫欧姆，且最好小于20毫欧姆。
2.低切换温度(Switching Temperature)：当电路温度逐渐上升时，PTC过电流保护装置的电阻值会瞬间转变至一高电阻状态，该项转折的温度称为切换温度。一般而言，PTC过电流保护装置的切换温度最好小于100℃，以保护电池在长时间过充电的状况下，不会因其本身温度过高而造成损坏。
PTC过电流保护装置中所使用的PTC导电复合材料，是由一具有结晶性的聚合物掺混导电填料，例如碳黑或金属微粒所组成，再将该导电复合材料经由放射线照射使的进行交链(crosslinking)反应。上述导电复合材料的电阻可在室温下保持极低值，而当温度上升达切换温度时，其电阻会瞬问升高至一高电阻状态。
美国专利第5,801,612号公开了一过电流保护装置，所使用的聚合物为一聚烯烃及聚丙烯酸的聚合物，再与导电填料掺混形成一PTC导电复合材料。该PTC导电复合材料在与二电极压合后，以放射线照射使该PTC导电复合材料进行一交链反应。由于该先前技艺公开的熔点必须低于110℃，结晶度必须小于40％，且放射线照射的累积放射量必须小于20Mrad，因此无法在较低的温度下敏锐地感应过电流变化，以产生电阻转变跳动而保护电路及电池。另，美国专利号第5,580,493及5,378,407亦分别公开PTC导电复合材料的组成，但其使用的聚合物皆为聚烯烃及聚丙烯酸的聚合物。由于聚丙烯酸具有易吸水的特性，会使导电复合材料的导电度降低，对温度的灵敏度也相对地降低。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种过电流保护装置，在正常操作下其电阻可维持极低值，使电池得以正常操作。但当电池的温度到达一切换温度时，其电阻值则会瞬间升高至一高电阻状态以降低电流。
本发明另一目的在提供一种制备电池过电流保护装置的方法，可快速且大量制备一稳定且对温度敏感度高的过电流保护装置。
为实现上述目的并避免已知技术的缺点，本发明公开一种过电流保护装置，包含：一电流检测元件，是具有正温度系数的导电复合材料，以及至少两电极，贴合于该电流检测元件的两侧。该电流检测元件包括：至少一聚合物；及一导电填料，散布于该聚合物的内。该聚合物的熔点高于110℃，维卡软化点低于110℃；该电流检测元件的厚度介于0.025毫米至0.25毫米之间，其20℃电阻率不超过2.0ohm-cm；以及该导电复合材料是经放射线照射且累积计量至少20Mrads。
根据本发明的另一方面，提供一种过电流保护装置，包含一电流检测元件及二电极，其中该电流检测元件是由一具有正温度系数的导电复合材料所形成。该导电复合材料包含：至少一聚合物，该聚合物的熔点高于110℃，维卡软化点低于110℃；以及一导电填料，散布于该聚合物之内。该导电复合材料是经放射线照射且累积计量至少20Mrads。
本发明更公开一种制备过电流保护装置的方法，包含下述步骤(a)至步骤(b)。在步骤(a)中，将至少一聚合物、一导电填料及一非导电填料充分混合均匀以形成一PTC导电复合材料。在步骤(b)中，将该PTC导电复合材料与至少二电极进行压合，以形成一PTC板材。在步骤(c)中，将该PTC板材以放射线照射，且累积的照射计量至少为20Mrads，使该PTC导电复合材料产生交链反应。在步骤(d)中，冲切该PTC板材以形成该过电流保护装置。
附图说明
本发明的前述和其他目的、优点以及达成方式，根据下列详细说明与附图将更加清楚。
图1为本发明的过电流保护装置的一较佳实施例的剖面图；
图2为本发明的过电流保护装置的另一较佳实施例的剖面图；及
图3为本发明的过电流保护装置的电阻值与放射线累积照射量的对应图。
具体实施方式
图1为本发明的过电流保护装置10的一较佳实施例的剖面图，包含一电流检测元件13、二电极11和12，及二金属导电片14和15。该电流检测元件13是由一具正温度是数(PTC)的导电复合材料所形成，且包含至少一聚合物及一导电填料(conductive filler)。该电极11和12贴合于该电流检测元件13的两侧，可电气连接至电池电源的正负极。该二金属导电片14和15未必为必需使用；当使用时，可贴合于该两电极11和12相对于该电流检测元件13的另一侧，作为表面粘着至一电路板或电池的导线。
图2为本发明的过电流保护装置10的另一较佳实施例的剖面图。和图1的不同点是，该二金属导电片14和15延伸出该电极11和12的方向相同或不同。
该PTC导电复合材料所使用的聚合物是由至少一种聚烯烃类聚合物所组成，例如聚乙烯、聚丙烯或聚辛烯，其熔点(peak melting point)大于110℃，以提高结晶度，并加强PTC效应；且其维卡软化点(Vicatsofting point)小于110℃，以达到低温过电流保护的目的。上述的维卡软化点是根据ASTM，D1525的方法测量而得。此外，该导电填料可选自导电碳黑、金属粉末或碳化陶瓷性粉末，且该碳化陶瓷性粉末例如碳化钛或碳化钨，
为增强该电流检测元件13的韧度(toughness)、导电度(conductivity)及对温度的敏感度(sensitivity)，在该PTC导电复合材料内可另添加一非导电填料。该非导电填料可为无机或是有机体，本发明对此并未有任何限制。该无机非导电填料，例如为氢氧化镁、二氧化钛或碳酸钙；而该有机非导电填料，是选自下列群组：矽化物、丙烯酸类、胺类、硫化物、羧酸类、脂肪酸类及酯类的衍生物及其盐类或是非晶形聚合物(amorphous polymer)，本发明的一较佳具体实施例中所使用的有机非导电填料为硬酯酸锌。再者，PTC导电复合材料可另添加一添加剂以增强其物理特性，该添加剂包含：光起始剂、交链剂、偶合剂、分散剂、稳定剂或抗氧化剂等化合物。
在本发明的实施例中，是先将该聚合物、导电填料、非导电填料及添加剂进行初步的混合及粉碎，其中，该聚合物的重量百分比是介于20％至80％之间，较佳者是介于30％至70％之间；该导电填料的重量百分比是介于20％至90％之间，较佳者是介于30％至70％之间；该非导电填料的重量百分比是介于0.1％至10％之间，较佳者是介于0.5至5％之间，再将上述混合物于高温下进行混料，且混料温度在180℃至250℃之间，较佳者在180℃至230℃之间。
之后，该PTC导电复合材料与二金属薄片11和13进行压合以形成一PTC板材。而该PTC导电复合材料经压合后形成一薄片状的电流检测元件13与金属薄片紧密接合。该金属薄片的材料可以为镍、铜或其合金，并作为电极之用。该压合的方式可利用将熔融后的PTC导电复合材料以挤压的方式注入二金属薄片11和12间所形成，或利用将导电复合材料与三金属薄片11和12以热压而形成。
将该PTC板材以放射线照射，使该PTC导电复合材料进行一交链反应(crosslink reaction)，以增进元件的热稳定性以及电气稳定性。放射线照射的累积放射量至少在20Mrads以上，而较佳者是介于25Mrad至35Mrads之间。
该PTC板材经过一交链反应后，以模具冲切形成本发明的过电流保护装置。其尺寸小于120mm2，较佳者是介于40mm2至80mm2之间。之后，该过电流保护装置的电极上下两侧可另与二金属导电片14、15相粘接，以便作为与电池正负极电气连接的导线。于本发明的一较佳实施例中，该金属导电片14、15的材料为镍片。
本发明所之电流检测元件13，其电阻率于20℃(R20)时是不超过2.0ohm-cm，且其厚度是介于0.025mm至0.25mm之间。
图3为本发明的过电流保护装置的电阻值与放射线累积照射量的对应图。曲线31为10Mrads放射线照射，曲线32为20Mrads放射线照射，曲线33为30Mrads放射线照射。由图中可知，随着累积放射剂量的增加，PTC导电材料的交链密度也会增加，所以其电阻值也随之增加。
实施例1
将重量百分比51％的聚乙烯及聚辛烯聚合物(由Dow Chemical所生产的Elite 5400，其熔点为122.5℃，维卡软化点为102℃)与重量百分比48％的导电碳黑(由中国合成橡胶公司所生产的N550)，及重量百分比为1％的氢氧化镁(由Ube MaterialIndustries所生产的MGOH-650)以一果汁机高速混合3分钟，将上述混合材料慢慢加入混炼机(Haake-600)中，于200℃下进行混炼15分钟以形成一PTC导电复合材料。混炼时的转速于加料期间为40rpm，加料结束后，转速提高至70rpm。将下料后的PTC导电复合材料切成碎片，以二片厚度为0.05mm的镀镍铜箔将导电复合材料的碎片上下夹住，其中，该镀镍铜箔的粗糙面朝内以便与电流检测元件接合，再以二片厚度为5mm的铁氟龙片将上述镀镍铜箔上下夹住，最后，再以二片厚度为1mm的不锈钢片将上述铁氟龙片上下夹住以形成一多层结构，将上述多层结构于热压机中热压，热压机先预热180℃维持20分钟后，开始压合，压力为50kg/cm2，5分钟后将压力升高至150kg/cm2，继续压合10分钟，压合结束后将铁氟龙片及不锈钢片拆除形成一PTC板材。于该PTC板材中，导电复合材料经压合后形成一薄片状的电流检测元件与镀镍铜箔紧密接合，其厚度乌0.13mm。
将上述PTC板材以放射线钴60照射使导电复合材料进行一交链反应，其中照射放射线的累积剂量为30Mrad。再将交链后的PTC板材经模具冲切而形成尺寸大小为5×12×0.13mm的过电流保护装置，而镀镍铜箔则构成该过电流保护装置的二电极。
将二镍片以锡膏分别粘合于过电流保护装置的二电极上下二侧，镍片的尺寸大小为4×16×0.127mm，粘合后的镍片二端向外伸出电极约5mm。最后，将上述元件经85℃加热及-45℃退火(anneal)的处理后，其电阻会降至0.026ohm。
将上述过电流保护装置置于一温控烤箱中，测量温度变化时电阻与温度的关系，在110℃时的电阻(R110)及其断电元件表面温度(tripsurface temperature)如表1所示。断电元件表面温度的测量是将上述过电流保护装置在12V/10A下断电，于断电的状态下以红外线测温仪测量其表面温度而得。
实施例2
将重量百分比47％的聚乙烯及聚辛烯聚合物(由Dow Chemical所生产的Elite 5400，其熔点为122.5℃，维卡软化点为102℃)与重量百分比50％的导电碳黑(由中国合成橡胶公司所生产的N660)，及重量百分比为3％的硬醋酸锌(Aldrich Chemical)以果汁机高速混合3分钟，将上述混合材料慢慢加入混炼机(Haake-600)中，于200℃下进行混炼15分钟以形成一PTC导电复合材料。混炼时的转速于加料期间为40rpm，加料结束后，转速提高至70rpm。将二片镀镍铜箔分别绕过相互平行的上钢轮及下钢轮且铜箔的粗糙面朝外，钢轮的温度为220℃压力为100kb/cm2。将该PTC导电复合材料以押出机挤压出来，并使之由上下钢轮间的狭小隙缝间通过，随着钢轮的转动，PTC导电复合材料会被压合成一薄片状的电流检测元件并与镀镍铜箔紧密接合，而形成一PTC板材。
将上述PTC板材以放射线钴60照射使导电复合材料进行一交链反应，其中照射放射线的累积剂量为30Mrad。再将交链后的PTC板材经模具冲切而形成尺寸大小为5×12×0.13mm的过电流保护装置，而镀镍铜箔则构成该过电流保护装置的二电极。
将二镍片以锡膏分别粘合于该过电流保护装置的二电极上，镍片的尺寸大小为4×16×0.127mm，粘合后的镍片二端向外伸出电极约5mm。最后，将上述元件经85℃加热及45℃退火(anneal)的处理后，其电阻会降至0.023ohm。
将上述过电流保护装置置于一温控烤箱中，测量温度变化时电阻与温度的关系，其在110℃时的电阻(R110)及其断电元件表面温度(tripsurface temperature)如表1所示。断电元件表面温度的测量是将上述过电流保护装置在12V/10A下断电，于断电的状态下以红外线测温仪测量其表面温度而得。
比较例1
其实施步骤与实施例H目同，但所形成的PTC板材照射放射线钴60的累积照射量为10Mrad。
将上述过电流保护装置置于一温控烤箱中，测量温度变化时电阻与温度的板是，其在110℃时的电阻(R110)及其断电元件表面温度(tripsurface temperature)如表1所示。断电元件表面温度的测量是将上述过电流保护装置在12V/10A下断电，于断电的状态下以红外线测温仪测量其表面温度而得。
比较例2
其实施步骤与实施例1相同，但所成的PTC板材照射放射线钴60的累积照射量为20Mrad。
将上述过电流保护装置置于一温控烤箱中，测量温度变化时电阻与温度的关是，其在110℃时的电阻(R110)及其断电元件表面温度(tripsurface temperature)如表1所示。断电元件表面温度的测量是将上述过电流保护装置在12V/10A下断电，于断电的状下以红外线测温仪测量其表面温度而得。
比较例3
其实施步骤与实施例1相同，但导电复合材料所使用的聚合物为高密度聚乙烯(由台塑公司所生产的8050，其熔点为136℃，维卡软化点为127℃)。
将上述过电流保护装置置于一温控烤箱中，测量温度变化时电阻与温度的关是，其在110℃时的电阻(R110)及其断电元件表面温度(tripsurface temperature)如表1所示。断电元件表面温度的测量是将上述过电流保护装置在12V/10A下断电，于断电的状态下以红外线测温仪测量其表面温度而得。
表1
| 实施例1 | 实施例2 | 比较例1 | 比较例2 | 比较例3 | |
| 熔点(℃) | 122.5 | 122.5 | 122.5 | 122.5 | 136 |
| 维卡软化点(℃) | 102 | 102 | 102 | 102 | 127 |
| Co60照射累积计量(Mrad) | 30 | 30 | 10 | 20 | 30 |
| 电流检测元件厚度(mm) | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.14 |
| R20(mΩ) | 26 | 23 | 23 | 26 | 21 |
| R110(Ω) | 180 | 150 | 50 | 80 | 0.5 |
| 断电元件表面温度(℃) | 107 | 108 | 128 | 118 | 122 |
由表1中的结果可知，过电流保护装置于高温的电阻(R110)随着交链反应时照射Co60的累积放射剂量的增加而增加。而且，20Mrad以上的累积放射剂量能符合过电流保护装置所要求的低温(＜110℃)的特性，于比较例3中，所使用的聚合物的维卡软化点超过110℃，反而会降低过电流保护装置在110℃下的电阻，以致于失去低温保护的作用。纵上所述，本发明的过电流保护装置所使用的聚合物的熔点必须大于110℃，而维卡软化点需小于110℃，且交链反应所需的累积放射剂量需至少20Mrad。
以上，虽已例举本发明的较佳实施例作一说明，但在不背离本发明的精神与范围下，仍可作任何等效的变更。因此，任何熟习此项技术领域人士所显而易见的变更或修饰，都应包含在权利要求的范围内。
Claims (35)
1、一种过电流保护装置，包含：
一电流检测元件，为具有正温度系数的导电复合材料，包括：
至少一聚合物；及
一导电填料，散布于该聚合物之内；以及
至少两电极，贴合于该电流检测元件的两侧；
其特征在于：该聚合物的熔点高于110℃，维卡软化点低于110℃；该电流检测元件的厚度介于0.025毫米至0.25毫米之间，其20℃电阻率不超过2.0ohm-cm；以及该导电复合材料经放射线照射且累积计量至少20Mrads。
2、如权利要求1所述的装置，其中该聚合物为聚烯烃类聚合物。
3、如权利要求1所述的装置，其中该聚合物是选自下列群组：聚乙烯、聚丙烯及聚辛烯。
4、如权利要求1所述的装置，其中该导电填料为碳黑、金属粉末或碳化陶瓷性粉末。
5、如权利要求4所述的装置，其中该金属粉末为镍粉、银粉或其混合物。
6、如权利要求4所述的装置，其中该碳化陶瓷性粉末为碳化钛或碳化钨。
7、如权利要求1所述的装置，其中该具有正温度系数的导电复合材另包含一非导电填料，且散布于该聚合物之内。
8、如权利要求7所述的装置，其中该非导电填料为无机或是有机形式。
9、如权利要求8所述的装置，其中该无机非导电填料是选自：氢氧化镁、二氧化钛、碳酸钙。
10、如权利要求8所述的装置，其中该有机非导电填料是选自：矽化物、丙烯酸类、胺类、硫化物、羧酸类、脂肪酸类及酯类的衍生物及其盐类或是非晶形聚合物。
11、如权利要求1所述的装置，其中该电极为一金属薄片。
12、如权利要求11所述的装置，其中该金属薄片为镀镍铜箔；
13、如权利要求1所述的装置，其中该电极相对于该电流检测元件的另一侧粘附一金属导电片。
14、如权利要求13所述的装置，其中该金属导电片为镍片。
15、如权利要求1所述的装置，其中该导电复合材料是经放射线照射且累积计量25至35Mrads。
16、如权利要求1所述的装置，其中该导电复合材料另渗入一添加剂以增强其物理特性。
17、如权利要求16所述的装置，其中该添加剂为一光起始剂、交链剂、偶合剂、分散剂、稳定剂或抗氧化剂。
18、一种过电流保护装置，包含一电流检测元件及二电极，其中该电流检测元件是由一具有正温度系数的导电复合材料所形成，该导电复合材料包含：
至少一聚合物，该聚合物的熔点高于110℃，维卡软化点低于110℃；以及
一导电填料，散布于该聚合物之内；
其中，该导电复合材料是经放射线照射且累积计量至少20Mrads。
19、如权利要求18所述的装置，其中该聚合物为聚烯烃类聚合物。
20、如权利要求19所述的装置，其中该聚合物是选自下列群组：聚乙烯、聚丙烯及聚辛烯。
21、如权利要求18所述的装置，其中该聚合物的重量百分比为20％至80％之间。
22、如权利要求18所述的装置，其中该聚合物的重量百分比为30％至70％之间。
23、如权利要求18所述的装置，其中该导电填料为碳黑、金属粉末或碳化陶瓷性粉末。
24、如权利要求18所述的装置，其中该导电填料的重量百分比为20％至90％之间。
25、如权利要求18所述的装置，其中该导电填料的重量百分比为30％至70％之间。
26、如权利要求23所述的装置，其中该金属粉末为镍粉、银粉或其混合物。
27、如权利要求23所述的装置，其中该碳化陶瓷性粉末为碳化钛或碳化钨。
28、如权利要求18所述的装置，其中该具有正温度系数的导电复合材另包含一非导电填料，且散布于该聚合物之内。
29、如权利要求28所述的装置，其中该非导电填料的重量百分比为0.1％至10％之间。
30、如权利要求28所述的装置，其中该非导电填料的重量百分比为0.5至5％之间
31、如权利要求28所述的装置，其中该非导电填料为无机或是有机形式。
32、如权利要求31所述的装置，其中该无机非导电填料是选自：氢氧化镁、二氧化钛、碳酸钙。
33.如权利要求31所述的装置，其中该有机非导电填料是选自：矽化物、丙烯酸类、胺类、硫化物、羧酸类、脂肪酸类及酯类的衍生物及其盐类或是非晶形聚合物。
34、如权利要求18所述的装置，其中该PTC导电复合材料另添加一添加剂以增强其物理特性。
35、如权利要求34所述的装置，其中该添加剂为一光起始剂、交链剂、偶合剂、分散剂、稳定剂或抗氧化剂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20061115 |