CN1307657C - 具有压敏电阻材料晶片的过电压保护装置 - Google Patents

具有压敏电阻材料晶片的过电压保护装置 Download PDF

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Abstract

一种过电压保护装置，包括具有第一大致平的电接触表面和侧壁的壳体。所述壳体中形成有空腔，并且具有与所述空腔连通的开口。所述装置的电极元件包括面对所述第一电接触表面并设于所述空腔内的第二大致平的电接触表面。一部分电极元件伸出空腔并通过所述开口。在空腔内设置由压敏电阻材料制成并具有第一和第二相对的大致平的晶片表面的晶片，晶片位于所述第一和第二电接触表面之间，第一和第二晶片表面分别与所述第一和第二电接触表面接合。

Description

具有压敏电阻材料晶片的过电压保护装置
相关专利申请
本专利申请为1998年9月21日提交的序列号为09/157875的未审定的美国专利申请的部分继续申请。
发明领域
本发明涉及一种过电压保护装置，更具体地说，涉及一种带有压敏电阻材料晶片的过电压保护装置。
发明背景
在将电力传输到住宅、商业设施和公共设施的动力线中经常会发生过电压现象。例如，这种过电压或电压峰值可能是由雷击引起的。冲击性过电压在电信控制中心、医院和其他设施尤其受到关注，在这些场所冲击性过电压引起的设备损坏以及随之而来故障时间都是非常大的。
通常情况下，采用一个或多个压敏电阻(即，与电压有关的电阻)保护设施免受冲击性过电压的损坏。一般来说，压敏电阻直接跨接在AC输入端，且与被保护电路并联。压敏电阻具有特有的箝拉电压，使得当电压超过预定的电压时，压敏电阻对过压电流形成一个小电阻的分流通路，以降低对灵敏元件损害的潜在可能性。通常情况下，在保护电路中设置有电源保险丝，由分流通路产生的近乎短路会使电源保险丝熔断或衰耗。
针对不同应用的不同设计，已经构建出了相应的压敏电阻。对于大负荷应用(如，容许电流为60-100KA)例如电信设施的保护装置，通常采用块压敏电阻。块压敏电阻通常包括设在一个塑料壳体内的圆盘状压敏电阻元件。压敏电阻圆盘通过压铸金属氧化物材料制成，压铸金属氧化物材料例如是氧化锌或者其它合适的材料，如碳化硅。铜或者其它的导电材料被火焰喷涂在圆盘的相对表面上。后将环状的电极粘结在涂覆后的相对表面上，圆盘和电极装置被封闭在塑料壳体内。这种块压敏电阻的例子包括Siemens Matsushita Components Gmbh& Co.KG的No.SiOVB860K250产品和Harris Corparation的No.V271BA60产品。
另一种压敏电阻设计包括一个容纳在盘状二极管壳内的高能压敏电阻盘。二极管外壳具有相对的电极板，压敏电阻盘位于二者之间。一个或者两个电极包括设于电极板和压敏电阻盘之间的弹性元件，用于将压敏电阻盘固定。所述一个或多个弹性元件仅能提供一个与压敏电阻盘接触的相对小的面积。
上面描述的压敏电阻结构在使用中常常不能充分完成任务。经常，压敏电阻会过热和起火。过热可能会造成电极从压敏电阻盘脱离，产生电弧，甚至引起火灾。可能存在发生压敏电阻盘穿孔的趋势，进而使得压敏电阻在其规定范围外工作。在高电流冲击下，根据现有技术的压敏电阻盘可能会由于压电效应破裂，而使电阻盘的性能恶化。该类压敏电阻的故障促使了有关最小性能规格的新行政规定出台。压敏电阻的制造商发现很难满足新规定的要求。
发明概要
在不同的实施例中，本发明主要集中于一种过电压保护装置，该过电压保护装置在安全、持续、始终如一地处理极端、重复的过电压方面具有许多优点。过电压保护装置包括由压敏电阻材料制成的晶片、一对电极，其中一个电极最好是具有与晶片的大致平的表面相接合的大致平的接触表面的壳体。
电极最好具有与压敏电阻晶片的热容量相比较大的热容量，以吸收来自于压敏电阻晶片的大量热量。按照这种方式，该装置可以减少由热引起的破坏或压敏电阻晶片的性能劣化，以及压敏电阻晶片产生火花或起火的可能。电极的相对大的热容量和电极与压敏电阻晶片间相对大的接触面积也能提供一种压敏电阻晶片内的更均匀的热量分布，因而，能够潜在地减少热点和由热点引起的压敏电阻材料局部损耗。
最好，电极被机械地加载到压敏电阻晶片上。可以采用偏压装置来提供和维持负载。负载最好能够使通过压敏电阻晶片的电流分布更均匀。结果，过电压保护装置能够更有效地、可预测地对过压作出反应，更可能避免形成引起穿孔的高电流点。还可以通过电极提供的机械增强措施来避免或者降低压敏电阻晶片对高电流冲击响应发生翘曲的趋势。而且，在过电压过程中，过电压保护装置具有低的电感和低的阻抗，这是因为通过压敏电阻晶片的电流分布更均匀、更有效的分布。
过电压保护装置最好包括一个金属壳体，其它元件被构型为可以防止发生起火、火花和/或过压引起压敏电阻材料晶片的压敏电阻材料故障，或使上述损害最小化。压敏电阻晶片可由棒状压敏电阻材料通过切片形成。
在本发明的另一实施中，过电压保护装置包括具有第一大致平的电接触表面和导电侧壁的壳体。该壳体确定了一个空腔，且具有一个与该空腔相通的开口。所述装置的电极可以包括一个面向第一电接触表面、设置在空腔内的第二大致平的电接触表面。一部分电极元件可以通过所述开口延伸出空腔。由压敏电阻材料制成并具有第一和第二相对的大致平的晶片表面的晶片被安装在空腔内，位于第一和第二电接触表面之间，且第一和第二晶片表面分别与第一和第二电接触表面接合。
根据本发明的另一实施，采用具有第一和第二相对的大致平的晶片表面的压敏电阻晶片的过电压保护装置包括由第一大致平的电接触表面和导电侧壁构成的壳体。壳体中形成一个空腔，且具有与该空腔相通的开口。过电压保护装置的电极元件可以包括面向第一电接触表面并设置在空腔内的第二大致平的电接触表面。一部分电极可以通过开口沿伸出空腔。壳体和电极元件在相互关系上可以设置和构型成使压敏电阻晶片接纳在空腔内，使得晶片位于第一和第二电接触表面之间，而且第一和第二电接触表面分别与第一和第二晶片表面接合。
在本发明的其它实施中，采用具有第一、第二大致平的晶片表面的压敏电阻晶片的过电压保护装置包括一个壳体，壳体中形成一个空腔和并具有与空腔连通的开口。壳体包括侧壁和底壁，底壁包括第一大致平的电接触表面和相邻的凹陷表面。第一电接触表面确定一个相对于凹陷表面的隆起的平台。装置的电极可以包括一个朝向第一接触表面的、位于空腔内的第二大致平的接触表面。部分电极可以通过开口伸出空腔外。壳体和电极元件在相对关系上设置和构型为可以使压敏电阻晶片容纳在空腔内，使得压敏电阻晶片位于分别与第一和第二电接触表面之间，并且第一和第二电接触表面分别与第一和第二晶片表面接合，但晶片不与凹陷的表面接合。
根据本发明的另一实施，采用具有第一和第二大致平的晶片表面的压敏电阻晶片的过电压保护装置包括一个壳体，该壳体包括第一大致平的电接触表面和侧壁。壳体中形成有一个空腔，并具有一个与空腔连通的开口。装置的电极元件可以包括朝向第一接触表面并位于空腔内的第二大致平的接触表面和一个通过开口伸出空腔外的轴。轴可以包括一个在其中形成的周边轴槽。一个封闭元件可以被插入第二电接触表面和所述开口之间。在封闭元件中可以确定有一个孔。可以在轴槽中放置一弹性O形环。轴可以通过开口伸出，O形环可以放在孔中并且O形环可以被定位成提供轴和封闭元件之间的密封。壳体和电极元件在相互关系上设置和构型成可以在空腔内容纳压敏电阻晶片，使得压敏电阻晶片位于第一和第二电接触表面之间，且第一和第二电接触表面分别与第一和第二晶片表面接合。
根据本发明的另一实施，采用具有第一和第二大致平的晶片表面的压敏电阻晶片的过电压保护装置包括壳体，所述壳体包括第一大致平的电接触表面和侧壁。在壳体中形成一个空腔，且壳体具有一个与空腔相通的开口。装置的电极元件包括一个朝向第一接触表面并位于空腔内的第二大致平的接触表面。一部分电极可以通过开口伸出空腔外。封闭元件可以设置在第二电接触表面和开口之间。在封闭元件内部可以形成有周边凹槽。可以在周边凹槽中放置一弹性O形环。可以将O形环定位成封闭元件和壳体侧壁之间提供密封。壳体和电极在相互关系上设置和构型成可以在空腔内容纳压敏电阻晶片，使得压敏电阻晶片位于第一和第二电接触表面之间，并且第一和第二电接触表面分别与第一和第二晶片表面接合。
根据本发明的其它实施例，采用具有第一和第二大致平的晶片表面的压敏电阻晶片的过电压保护装置包括壳体，该壳体包括由第一大致平的电接触表面和侧壁。在壳体中形成一个空腔，且壳体具有一个与空腔相通的开口。装置的电极包括一个朝向第一接触表面并位于空腔内的第二接触表面。一部分电极可以通过开口伸出空腔外。在开口处设置一端盖。设置卡圈来限制端盖和壳体之间的位移。壳体和电极元件在相互关系上设置和构型成可以在空腔内容纳压敏电阻晶片，使得压敏电阻晶片位于第一和第二电接触表面之间，并且第一和第二电接触表面分别与第一和第二晶片表面接合。
根据本发明的另一实施例，一种在壳体内安装截成环形的卡圈的方法，所述卡圈具有一对相对端部，每个端部具有于其中形成的孔口，该方法包括利用孔口压缩所述卡圈。卡圈被相对于壳体定位。通过放松卡圈可以使卡圈与壳体的接合。然后，卡圈的端部可以被切掉。
根据本发明的另一实施例，一种在壳体内安装截成环形的卡圈的方法，所述卡圈具有一对相对端部，每个端部具有于其中形成的孔口，该方法包括利用孔口压缩所述卡圈。卡圈被相对于所述壳体定位。通过放松卡圈可以使卡圈与壳体的接合。然后，可以将填充材料放置到每个所述孔口中。
根据本发明的其它实施，采用具有第一和第二大致平的晶片表面的压敏电阻晶片的过电压保护装置包括壳体，所述壳体包括第一大致平的电接触表面和侧壁。在壳体中形成一个空腔，且壳体带有一个与空腔相通的开口。装置的电极元件包括朝向第一接触表面并位于空腔内的第二接触表面，一部分电极可以通过开口伸出空腔外。第一和第二贝氏垫圈至少可以使第一和第二接触表面中的一个被偏压向另一个。每一垫圈均可沿轴向逐渐变窄。第一和第二贝氏垫圈最好沿轴向对准并相对取向。壳体和电极元件在相互关系上设置和构型成在空腔内容纳压敏电阻晶片，使得压敏电阻晶片位于第一和第二电接触表面之间，并且第一和第二电接触表面分别与第一和第二晶片表面接合。
通过阅读下述本发明实施例的附图和详细说明，本领域技术人员可以认识到本发明的这些目的，这些说明只是示例说明本发明。
附图简要说明
作为本发明说明书的一部分的下述附图给出了本发明的关键实施例。附图和说明共同对本发明全面地进行解释。在图中，
图1是根据本发明的压敏电阻装置的分解透视图；
图2是图1所示压敏电阻装置的顶视图；
图3是沿图2的3-3线所取的图1中的压敏电阻装置的剖视图；
图4是压敏电阻晶片的透视图；
图5是根据本发明第二实施例的压敏电阻装置的分解透视图；
图6是图5所示压敏电阻装置的顶透视图；
图7是图5所示压敏电阻装置的底透视图；
图8是图5所示压敏电阻装置的视图，其中压敏电阻装置安装在供电用箱内；
图9是根据本发明第三实施例的压敏电阻装置的分解透视图；
图10是图9所示压敏电阻的顶透视图；
图11是图9所示压敏电阻沿图10所示11-11线所取的剖视图；
图12是根据本发明另一实施例的压敏电阻装置的分解透视图；
图13是图12所示压敏电阻装置的中心剖视图，其中压敏电阻装置处于放松的、部分装配状态；
图14是图12所示压敏电阻装置的中心剖视图，其中压敏电阻装置处于完全装配状态；
图15是图12所示压敏电阻装置的绝缘环的顶透视图；
图16是图15所示绝缘环的侧面正视图；
图17是图15所示绝缘环的俯视平面图；
图18是图12所示压敏电阻装置电极的顶透视图；
图19是图12所示压敏电阻装置的中心剖视图；
图20是图12所示压敏电阻装置的局部分解剖视图，其中只示出其第一圆环；
图21是图12所示压敏电阻装置的局部分解剖视图，其中只给出其第二O形环；
图22是根据本发明另一实施例的压敏电阻装置的顶透视图；
图23是根据本发明另一实施例的压敏电阻装置的顶透视图；
图24是根据本发明另一实施例的压敏电阻装置的顶透视图。
优选实施例详细说明
现在，将在下文中参照附图对本发明进行更全面的说明，其中将给出本发明的实施例。但是，本发明可以采用多种形式实施，不应局限于这里给出实施例；本发明给出这些实施例是为了使这里公开的内容更加详尽和完整。在附图中，相似的标号代表相似的元件。这里应用术语“向上”、“向下”、“垂直”“水平”等类似术语仅仅为了说明目的。
如图1-3，图中示出的是根据本发明第一实施例的过电压保护装置，用标号100指出。装置100包括大致为圆柱形的壳体120。所述壳体最好由铝制成。不过，可以采用任何合适的导电材料。所述壳体有一个中心壁122(如图3)，圆柱壁124从中心壁开始沿相反的方向延伸出，壳体电极耳129从壁124向外延伸。壳体最好是整体的且轴对称的，如图所示。圆柱壁124和中心壁122在中心壁的每一边形成空腔121，每一空腔分别与开口126相通。
在每一个空腔121中安装一个活塞状的电极130。电极130的轴134通过各自的开口126向外凸出。电极130最好由铝制成，不过，可以采用任何适当的导电金属。另外，正如下面更详细描述的那样，在每一个空腔121内放置一个压敏电阻晶片110、一个弹簧垫圈140、一个绝缘环150和一个端盖160。
在应用中，装置100可以直接跨接在AC或DC输入端，例如，在一个供电用箱内。供电直接或间接与电极轴134和壳体电极耳129相连，以便通过电极130、压敏电阻晶片110、壳体中心壁122和壳体电极129提供电流通路。在非过压情况下，压敏电阻晶片110具有高的阻抗，使得没有电流流经装置100，在电器上看像是开路一样。在过压(与设备的设计电压相比而言)条件下，压敏电阻晶片的电阻迅速降低，使得电流流过装置100，形成电流的分流通路，以保护相关电气系统的其它元件。本领域技术人员已知这样的过压保护器的一般用途和应用，此处不再详细说明。
从图可以看出，装置100是轴对称的，装置100的上半部分和下半部分按照相同的方式制作。因此，下文中对装置100进行描述时，我们仅对其上半部分进行说明，应该理解为这种说明对下半部分同样适用。
再详细地看装置100的构造，电极130具有头部132、整体形成的轴134。如图3所示，头部132具有一个面向壳体中心壁122的大致平的接触表面122A的大致平的接触表面132A。压敏电阻晶片110插在接触表面122和132之间。正如下面所要详细说明的，头部132和中心壁122紧靠压敏电阻晶片110安装，保证表面112和132A、表面114和表面122A间的牢固的均匀的接合。螺纹孔136形成于轴134的末端，用于接纳螺栓，以便将汇流线或电联接件固定到电极130。
如图4所示，压敏电阻晶片110有第一基本平的接触表面112和相对的第二基本平的接触表面114。如这里所使用的，术语“晶片”指具有一定厚度的衬底，其厚度与其直径、长度和宽度相比相对较小。压敏电阻晶片110最好是盘状的。不过，压敏电阻晶片也可以做成其它形状。压敏电阻110的厚度T和直径D决定于特定应用中的所需的压敏电阻特性。最好，如所示的那样，压敏电阻晶片110包括每侧附着有导电覆层112A、114A的压敏电阻材料制成的晶片111，使得覆层112A和114A的裸露表面用作接触表面112和114。最好，覆层112A和114A由铝、铜或焊料制成。
压敏电阻材料可以是通常用于压敏电阻的任何适当的材料，即，相对于电压呈现非线性阻抗特性的材料。最好是当电压超过预定电压时，阻抗变得很低的材料。例如，压敏电阻材料可以掺杂有金属氧化物或碳化硅。合适的氧化物还包括氧化锌。
压敏电阻晶片111最好通过首先形成压敏电阻材料棒或压敏电阻材料块，然后利用金刚石切割器或者其它适当的装置将压敏电阻材料形成。压敏电阻材料棒可以通过对压敏电阻材料进行挤压或铸造，之后在氧化环境中将所述棒在高温下烧结形成。这种形成方法可以使制成的压敏电阻晶片具有更加平的表面、更少的弯曲或轮廓上的波动。层112A和114A最好由铝或铜制成，并可以火焰喷涂在晶片111相对的两个表面上。
尽管图1所示的装置100包括两个弹簧垫圈140，可以使用更多或更少的弹簧垫圈。每一个弹簧垫圈140包括一个孔142，该孔可以接纳电极130的轴134。每一个弹簧垫圈140包围与头132紧临的轴134部分，并紧靠头132的后表面或者前述的弹簧垫圈140。每一个孔142的直径最好大于相应轴134直径约0.012-0.015英寸。弹簧垫圈140优选地由弹性材料制成，最优选择是弹簧垫圈140为由弹性钢制成的贝氏垫圈。
绝缘环150覆盖在弹簧垫圈140的最外端并紧靠弹簧垫圈140。绝缘环150有一个在其内部形成的孔152，该孔用于接收轴134。孔152的直径最好大于相应轴134直径约0.005-0.007英寸。绝缘环150最好由具有高熔点和高燃点的电绝缘材料制成。更优选的是，绝缘环150由聚碳酸酯、陶瓷或高温聚合体制成。
端盖160覆盖在绝缘环150上。端盖160带有一个接纳轴134的孔162。孔162的直径最好大于相应轴134直径约0.500-0.505英寸，提供足够的间隙165(如图6)，以避免在非过压情况下，在端盖160和电极轴134间产生电弧。在端盖160外周壁上的螺纹168与壳体120内形成的互补螺纹128啮合。孔163形成于端盖内，来接纳用于相对于壳体120旋转端盖160的工具(图中未画出)。可以采用其他接纳工具的装置例如六楞槽代替孔163或者作为补充。端盖160具有一个环状的凸起167，环状凸起接纳于壳体120的内径内部。壳体120包括防止端盖150过分插入的边缘127。端盖最好由铝制成。
如上所述，最好如图3所示，电极头部132和中心壁122紧靠在压敏电阻晶片110上，以保证表面112和132A、表面114和表面122A间牢固和均匀的接合。装置100的这一方面可以通过根据本发明的用于组装装置100的方法来加以理解。压敏电阻晶片110安装在空腔121内部，以使晶片表面114与接触表面122A接合。电极130被插入空腔121内，使得接触表面132A与压敏电阻晶片表面112接合。弹簧垫圈140沿轴134滑下，并放置在头部132上。绝缘环150沿轴134滑下，并放在弹簧垫圈140的最外端。端盖160沿轴134滑下，通过螺纹168与螺纹128的啮合、旋转而螺纹连接到在孔126内。
一旦装置100按照上述方式装配后，端盖160被有选择地扭转以使绝缘环150向下压，使得弹簧垫圈部分挠曲。端盖160上的负载施加到绝缘环150上，并由绝缘环施加到弹簧垫圈140，而后传递到头部132。按照这种方式，压敏电阻晶片110便夹(夹持)在头部132和中心壁122的之间。
装置100最好设计成当弹簧垫圈150仅部分地挠曲时即可达到所需的负载，更优选的是当弹簧垫圈产生50％部分挠曲时即可达到所需的负载。这样，就允许装置100的其它元件存在一定的制造公差。
施加在端盖160上的扭矩的大小取决于压敏电阻晶片110和头部132以及中心壁122之间所要求的载荷的大小。所述头部和中心壁与压敏电阻晶片之间作用的负载的大小最好至少为264lbs。更优选的是，负载约在528lbs和1056lbs之间。覆层112A和114A最好具有粗糙的内表面，加载在层上的压力能够使层变形从而在接触表面122A和132A之间形成更连续的接合。
可以选择地或另外地，所需的负载大小可以通过选择适当数目和或大小的弹簧垫圈140来获得。每一个弹簧垫圈均需要一定大小的负载来产生预定量的挠曲，总负载等于弹簧挠曲负载的总和。
接触表面132A和压敏电阻晶片表面112间的接合面积最小是1.46平方英寸。同样，接触表面122A和压敏电阻晶片表面114间的接合面积最少是1.46平方英寸。电极头部132的厚度H最少为0.50英寸。中心壁122的厚度W最少是0.25英寸。
壳体120和电极130的总热容量应大于压敏电阻晶片110的热质量。如这里所使用的，术语“热容量”指材料或物体(如，压敏电阻晶片110)材料的比热乘以材料或者物体材料的质量所得的值。也就是说，热容量是使1克材料或物体的材料的温度升高1度所需要的能量乘以物体内的材料质量或多种材料各自的质量。每一个电极头部132和中心壁122的热容量最好大于压敏电阻晶片110的热容量很多。每一个电极头132和中心壁122的热容量最好至少是压敏电阻晶片110的热容量的2倍，更好选择是最少10倍。
过电压保护装置110在安全、持续、始终如一地处理极剧、重复的过电压方面具有许多优点。壳体120和电极130的较大足以吸收由压敏电阻晶片110产生的较大量的热，因而减少引起压敏电阻晶片破坏或性能劣化的热，以及减少压敏电阻晶片产生火花或起火的趋势。电极和壳体与压敏电阻晶片间的相对大的热容量和相对大的接触面积能使压敏电阻晶片内温度更均匀地分布，因而能够使压敏电阻晶片的热点以及进而产生的局部损耗最小化。
靠接压敏电阻晶片的电极和壳体的负载如同相对大的接触面积一样使通过压敏电阻晶片的电流分布更均匀。结果，装置100对于过电压状态的反应更加有效和更可预见，更可能避免引起穿孔的高电流点的形成。通过加载的头部132和中心壁122提供的机械加固力，可以减少在高电流冲击下压敏电阻晶片100发生翘曲的趋势。当压敏电阻晶片伸展时，弹簧垫圈会发生暂时的挠曲，而当压敏电阻晶片缩短时，弹簧垫圈又回复，因而可以完全维持负载并在多个过电压出现之间维持负载。而且，在过电压出现过程中，装置100一般具有低的电感和低的阻抗，因为压敏电阻晶片内的电流的分布更均匀、更有效。
装置100同样能够用于防止发生燃烧、出现火花或压敏电阻晶片的压敏电阻材料对过电压失效，或使上述情况最小化。金属壳体的强度，以及电极130、绝缘环150和端盖160的结构均足以承受压敏电阻晶片失效产生的后果。在压敏电阻被破坏足够严重时，会迫使电极130离开压敏电阻并熔化绝缘环150，电极130将发生移动并直接与端盖160接触，进而短路电极130和壳体120，使串联的保险丝(未示出)熔断。
虽然图示的壳体120是圆柱形的，也可以采用其它形状的壳体。装置100的下半部分可以省去，从而使装置100仅保留一个上部的壳体壁124和单个压敏电阻晶片、电极、弹簧垫圈或一组弹簧垫圈、绝缘环和端盖。
根据上面所述内容，用于形成所述装置的一些元件的方法对于本领域技术人员来说是已知的。例如壳体120、电极130、端盖160可以通过机加工、铸造或者冲压的方法制造。每一个这些元件可以一体地形成或者形成为固定(例如，通过焊接)到一起的多个元件。
参见图5-8，这里示出的是根据本发明第二实施例的压敏电阻装置200。压敏电阻装置200包括元件210、230、240和260，分别对应于压敏电阻装置100的元件110、130、140和160。压敏电阻装置200与100的不同在于：压敏电阻装置200仅包括一个压敏电阻晶片210和相应的元件。压敏电阻装置200包括一个与壳体120相同的壳体220，除了以下不同。壳体220仅确定了一个空腔221，仅有一个从中心(或端)壁222延伸出的环绕壁224。壳体220还包括从中心(或端)壁222的下表面延伸出的螺柱229(图7)，而不是对应于电极耳129的侧向延伸的电极。螺柱229适于与通常的供电用箱或类似设备中的螺纹孔啮合。
压敏电阻装置200与压敏电阻装置100不同的另外一点体现在提供的绝缘环251。绝缘环251具有与绝缘环150相应的主体环252。环251还包括从主体环252向上延伸的轴环254。轴环254的内径尺寸可以容纳电极230的轴234，最好是间隙配合。轴环254的外径尺寸可以以预定的环绕轴环254的间隙265(图6)穿过端盖260的孔262。间隙265使得在插入轴134时存在一定间隙。主体环252和轴环254最好由与绝缘环150相同的材料制成。主体环252和轴环254最好是粘结起来的或整体模制的。
如图8所示，图中所示的压敏电阻装置200安装在供电用箱10内。压敏电阻装置200安装在电接地的金属平台12上。电极螺栓229与平台12内的螺孔12A进行啮合并从其中穿过。通过插入电极230的螺纹孔236中的螺纹螺栓18，将与保险丝14第一端电连接的汇流线16固定在电极轴234上。保险丝的第二端可以连接到供电线上或类似设备上。如图8所示，可以在箱10内并联连接多个压敏电阻装置200。
如图9-11所示，图中给出的是根据本发明第三实施例的压敏电阻装置300。压敏电阻装置300包括元件310、330、340和351，分别对应于元件210、230、240和251。压敏电阻装置300也包括一个平的金属垫圈345，金属垫圈插在最上面的弹簧垫圈340和绝缘环351之间，轴334延伸通过金属垫圈345内形成的孔346。可以包括在装置100、200内的垫圈345，用于分配最上端弹簧垫圈340的机械负载，以避免弹簧垫圈切入到绝缘环351内。除以下几点外，壳体320与壳体220相同。
装置300的壳体320不具有与螺纹128对应的边缘127或螺纹。壳体320还有形成于侧壁324周围、靠近其开口326延伸的内部环形槽323。
压敏电阻装置300与压敏电阻装置100、200的不同还在于电极330和中心壁322靠压压敏电阻晶片310的方式不同。代替端盖160、260，压敏电阻装置300有一个端盖360、一个弹性的、截成环形的卡圈370。卡圈370部分容纳在槽323内，部分从壳体320的内壁向内沿径向延伸，限制端盖360向外移动。卡圈370最好由弹簧钢制成。端盖360最好由铝制成。
除以下几点外，压敏电阻装置300可以按照与压敏电阻装置100、200同样的方式进行装配。端盖360放在轴334和轴环354上，轴和轴环均安装在孔362内。垫圈345在放置绝缘环351之前放在轴334上。应用夹具(没画出)或其它适当装置将端盖360压下，就使弹簧垫圈340发生挠曲。当端盖360仍然位于夹具的负载作用下时，最好用钳子或其他适当工具通过接合孔口372将卡圈370压缩并插入槽323。然后释放卡圈370，使之恢复到原始直径，于是，它部分地填充所述槽，并从槽323部分地向内延伸到所述空腔321内。因此，卡圈370和槽323用于维持端盖360上的负载。
如图12-21所示，图中示出了根据本发明另一实施例的压敏电阻装置400。压敏电阻装置400包括元件410、420、422、423、424、430、440、445、451、460和470，分别对应于元件310、320、322、323、324、330、340、345、351、360和370。压敏电阻装置400还包括一对额外的弹簧垫圈441和O形环480和482。
如图12和图19所示，壳体420通过侧壁424和电极壁422界定了一个空腔421。环形槽425形成于侧壁424的内表面。槽425与壳体420的开口相通。槽425最好加工到侧壁424内或以其它方式形成，从而提供沿槽425的整个高度光滑、均匀的垂直表面。槽425的直径的变化最好不大于0.005英寸。槽425的尺寸可以容纳端盖460和绝缘环451，使得端盖460和绝缘环451可以在其中滑动，但呈现较小的间隙，正如下面所讨论的那样。
电极壁422包括一个耸起的平台接触表面422A，该表面被环形凹陷表面422B围绕。凹陷表面的宽度R(见图13)最好介于约0.427-0.435英寸之间，深S最好介于0.062-0.070英寸之间。
如图18和21所示，电极430包括头432和轴434。在轴434内形成有环形槽433。槽433最好为半圆(见图21)。槽433的深度L最好介于0.045-0.050英寸之间，高M(见图21)最好介于0.090-0.095英寸之间。槽433可以在电极430内通过模制、机加工或其它方式形成。
如图15-17和图20-21，绝缘环451包括主体环452和轴环454。或者，在绝缘环150内可以省掉轴环454。轴环454的外径可以设计成易于加工的尺寸(最好不要设计成小于3/8英寸)。环451的内表面451A包围着在绝缘环451内延伸的通道451B(见图12)。在主体环452的内部形成有周边槽453。现在参照图20，槽453具有面向上的(即，径向延伸的)支撑表面453B和面向外的(即，轴向延伸)的支撑表面453A，使得槽453向上、向外开口。槽453可以在主体环452内通过模制、机加工或其它方式形成。支撑表面453A的高度H最好介于0.079-0.081英寸之间，支撑表面453B的深度I最好介于0.066-0.068英寸之间。
如图13、14和20所示，O形环480安装在槽453内，以便于使之卡在支撑表面453A、支撑表面453B、端盖460的下表面和壳体420的槽425的垂直表面之间。O形环由弹性材料制成，最好是合成橡胶，更高地，O形环由橡胶制成。最好是，O形环由氟碳化合物橡胶，如Dupont公司的VITONTM。也可以使用其它橡胶，如异丁橡胶。橡胶的硬度最好在60-90之间。
在松弛状态下，O形环480最好具有环形的截面，直径在0.100和0.105英寸之间。如图20所示，端盖460的下表面和支撑表面453B间的距离(即，高H)小于O形环480处于松弛状态的直径。结果，O形环480变形，并受支撑表面453A的约束而被向外压，与槽425的表面形成接合。支撑表面453B的周沿和槽425的垂直表面间的间隙J足够小，使得O形环480处于压缩状态。间隙J最好不超过0.024英寸。
如图13、14和21所示，O形环482位于槽433内，使得它被卡在槽433和内表面451A之间。O形环482最好由与上面描述的O形槽480具有相同性质的材料制成。
在松弛状态下，O形环482最好具有环形的截面，直径在0.065和0.075英寸之间。如图21所示，槽433的深度L小于O形环482处于松弛状态的直径。更进一步，电极轴434和内表面451A间的深度L和间隙N的组合距离小于放松状态下O形环482的截面直径，使得O形环482处于压缩状态。间隙N最好不超过0.005英寸。
参见图13和图14，除以下几点不同外，压敏电阻装置400可以按照与装置300同样的方式进行装配。注意，在图示实施例中，每一个弹簧垫圈440、441均是贝氏垫圈，其沿着中心线逐渐便小。在垫圈410上放置电极430之前或之后，将第一组弹簧垫圈序列441放在头部432上。弹簧垫圈441被定位成使得其外周边441B紧靠在头部432的上表面设置或与之接合，其内周边441A与所述头部432分隔开。然后将第二组垫圈440放在弹簧垫圈441上。弹簧垫圈440被定位成使得其内周边440A紧靠最上面的垫圈441的内周边441A设置或与之接合，其外周边440B紧靠垫圈445的下表面设置或与之接合。因此，弹簧垫圈440、441的中心轴沿着装置400的垂直轴相互对准，但是垫圈440是相反定位的。也就是说，垫圈440向下逐渐变窄，而垫圈441向上逐渐变窄。
在将绝缘环451设置在电极430上的之前，将O形环482放置在槽433内。在空腔421内安装电极430之前，最好将绝缘环451放在电极430和O形环482上(使得O形环被如图21所示那样卡住)。
最好在将绝缘环451插入壳体420之前，将O形环480安装在槽453内。然后，最好在将绝缘环451插入壳体420之前，将端盖460放在O形环480和绝缘环451上。
如图13所示，在安装完一些组件之后，按照关于压敏电阻装置300的方法将端盖460向下压。按照这种方式，端盖460、绝缘环451、垫圈445和O形环480向下运动，引起弹簧垫圈440、441挠曲，从而对头部432加载。如上所述的弹簧垫圈440、441的相对设置允许的垂直挠曲(因此是垫圈445和头部432间的垂直移动)是在相同大小的弹力下设有两个弹簧垫圈440或者两个弹簧垫圈441时的挠曲的两倍。增加的挠曲量就容许叠置体中更大的元件制造误差(如，元件410，422，432，445，454和460)，进而有利于压敏电阻装置400的制造。然后，卡环或卡圈470被与上述卡圈370相同的方式安装。
由于晶片410被装配在头部432和平台422A之间，因此晶片410的相对表面上的电极覆层被挤压。凹陷表面422B保证了电极覆层的边界位于平台422之外，这将降低或消除弯曲应力作用在晶片410上的可能性。平台422A的周边最好与头部432的接触表面的周边基本重合。
如上所述，O形环482被槽433和表面451A卡住和压缩。按照这种方式，O形环482被偏压到表面451和轴434，于是在二者之间形成密封。在过电压条件下，来自晶片410的副产物如热气体和碎片等将充入或散入空腔421。O形环482可以限定或防止这些副产物沿轴434和绝缘环451间的通道从压敏电阻装置400中泄漏出。
也可以是(未示出)，O形环482与端盖460的内表面接合。例如，在不应用绝缘环451时，即可以采用这种布置。
如上所述，O形环480被槽453、端盖460的下表面和槽表面425卡住和压缩。按照这种方式，O形环480被偏压到槽表面425、端盖460和绝缘环451上，从而在二者之间形成密封。O形环480可以限定或防止由过电压引起的副产物沿着槽表面425和绝缘环451及端盖460间的通道从压敏电阻装置400泄漏出。机加工或以其它方式弄光滑的槽425的表面可以保证与O形环480的均匀且有效的封接。
如图22所示，图中示出了根据本发明另一实施例的压敏电阻装置500。压敏电阻装置500与前面所述的压敏电阻装置300、400或类似压敏电阻相对应，包括用于固定其端盖的卡圈。压敏电阻装置500包括与卡圈370、470相对应的卡环或卡圈570，并具有用于接纳钳子或其它适当压缩工具的孔口572。卡圈570可以采用以上描述的方式进行安装。
接下来的安装是，在每一个孔口572中淀积适当的填充材料574，如环氧树脂(例如，JB WeldT环氧树脂)。为了在压敏电阻装置500闭合之后再将之打开，必须再次压缩或者破坏卡圈570，并将之除去。按照这种方式，填充材料574会阻碍压敏电阻装置500的打开，并在压敏电阻装置500被打开时，确保上次检修过程中装置500的打开的痕迹(即，卡圈570或填充材料574的破坏)很容易看到，从而提供改动的明显特征。
如图23所示，图中示出根据本发明另一实施例的压敏电阻装置600。压敏电阻装置600与前面所述的压敏电阻装置300、400或类似压敏电阻相对应，包括用于固定其端盖的卡圈。压敏电阻装置600包括卡环或卡圈670。最初，卡圈670与卡圈370相对应(如图10)，例如具有与孔口372相对应的孔口。如对压敏电阻装置300所描述的那样，这些孔口用于接纳钳子或其它压缩工具以便将卡圈安装到槽中。
接下来的安装是，切掉卡圈端部以去掉包括所述孔口的部分。可以用凿子、钻、高速旋转工具(例如，DREMELTM工具)或类似工具就地切除卡圈的端部。按照这种方式，形成了具有截短的端部674的卡圈670。孔口的切除可以避免再次压缩卡圈670，使得必须破坏卡圈670才能将其除去。按照这种方式，卡圈670防止压敏电阻装置600的打开，并在打开压敏电阻装置600时，确保在后续的检查过程中容易看出压敏电阻装置600被打开的痕迹，从而提供改动的明显特征。
如图24所示，图中给出的是根据本发明另一实施例的压敏电阻装置700。除了卡圈770的端部的切除较少外，压敏电阻装置700与压敏电阻装置600相对应。而且，孔口的一部分772A保留在每一个被截短的端部774上。按照与夹子670中类似的方式，夹子770会阻碍压敏电阻装置700的打开，并提供改动痕迹。
可以采用与前面所述方法不同的方法来将电极和壳体靠压到压敏电阻晶片上。例如，可以通过键接点将电极和端盖进行装配、加载，然后固定到相应位置。
在前面描述的每一个压敏电阻装置(例如，压敏电阻装置100，200，300，400，500，600，和700)中，可以将多层压敏电阻晶片(未示出)叠置，并将之夹在电极头和中心壁之间。压敏电阻晶片的最上外表面和最下外表面可以用作晶片接触表面。不过，最好通过改变单个压敏电阻晶片的厚度而不是叠置多个的压敏电阻晶片，可以调整压敏电阻晶片的特性。
如上所述，弹簧垫圈(例如，弹簧垫圈140、440和441)最好是贝氏垫圈。贝氏垫圈在无需大的轴向空间的条件下，能施加相对大的负载。不过，也可以采用其它类型的偏压装置作为补充或代替上述贝氏垫圈或多个垫圈。合适的偏压装置包括一个或多个螺旋弹簧、波形垫圈或螺旋垫圈。
前面对本发明进行了举例说明，但是不能理解为仅局限于此。虽然已经对本发明的几个示例性实施例进行了说明，但是，本领域技术人员会很容易意识到，在不脱离本发明新教导和发明优点的条件下，可以对本发明的示例性实施例进行改进。因此，所有这些改进都要包括在如权利要求书所确定的本发明范围之内。在权利要求书中，方法加功能权项要包括这里所描述的用于实现所叙述功能的各种结构，不仅包括结构的等效物，而且包括等效的结构。因此，应当理解，前面的描述是本发明的示例性说明，不应理解为局限于所批露的特定实施例，对于所批露实施例的改进以及其它实施例都要包括在所附的权利要求书范围之内。本发明由下述权利要求，以及这里所包含的权利要求等效方案确定。

Claims (17)

1.一种过电压保护装置(400)，包括：
壳体(420)，所述壳体中形成空腔(421)并具有与所述空腔连通的开口，所述壳体包括：
侧壁(424)；
底壁(422)，所述底壁包括第一基本平的电接触表面(422A)和相邻凹陷表面(422B)，所述第一电接触表面确定相对于所述凹陷表面隆起的平台；
电极元件(430)，所述电极元件包括面向所述第一电接触表面的并位于所述空腔内的第二基本平的电接触表面，所述电极元件的一部分延伸出所述空腔并通过所述开口；
压敏电阻晶片(410)，其具有第一和第二相对的且基本平的晶片表面，所述晶片被设置在所述第一和第二电接触表面之间，且第一和第二电接触表面分别与第一和第二晶片表面接合，从而使所述晶片不与所述凹陷表面接合。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述凹陷表面基本完全包围所述第一电接触表面。
3.如权利要求1所述的装置，
其中所述电极元件(430)的所述部分在所述电极元件的一端具有轴(434)，所述轴延伸出所述空腔并通过所述开口，所述轴包括形成于该轴中的周边轴槽(433)，且所述装置还包括：
封闭元件(451)，所述封闭元件设置在所述第二电接触表面和所述开口之间，所述封闭元件具有形成于其中的孔；
设于所述轴槽内的弹性O形环(482)；
其中，所述轴延伸通过所述开口，所述O形环设在所述孔中且所述O形环定位成在所述轴和所述封闭元件之间提供密封。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述O形环被压缩。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述O形环由弹性材料制成。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述封闭元件包括电绝缘元件。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述封闭元件包括端盖(460)。
8.如权利要求1所述的装置，包括：
封闭元件(451)，所述封闭元件被设置在所述第二电接触表面和所述开口之间，所述封闭元件形成有周边槽(453)；
设于所述周边槽内的弹性O形环(480)；
其中，所述O形被定位成在所述封闭元件和所述壳体的侧壁之间提供密封。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述O形环被压缩。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述O形环由弹性材料制成。
11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述封闭元件包括电绝缘元件。
12.如权利要求11所述的装置，还包括在所述开口内靠近所述绝缘元件设置并与所述O形环接合的端盖(460)。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述槽包括径向延伸的壁(453B)和轴向延伸的壁(453A)，并且所述O形环与所述径向延伸的壁、所述轴向延伸的壁、所述侧壁和所述端盖中的每个接合。
14.如权利要求1所述的装置，包括：
设置在所述开口内的端盖；
卡圈，所述卡圈被定位成限制所述端盖和所述壳体之间的位移，其中所述卡圈被截成环形，并包括一对相对的端部。
15.如权利要求1所述的装置，包括：
设置在所述开口内的端盖(460)；
卡圈(770)，所述卡圈定位成限制所述端盖和所述壳体间的位移，其中所述卡圈被截成环形，并包括：
一对相对的端部(774)；
一对敞开的凹口(772A)，每个所述敞开的凹口形成于所述相对端部各个之中并且大致面对所述相对的端部中的另一个。
16.如权利要求14所述的装置，其中所述卡圈包括：
在所述相对端部的每个内形成的孔口；
设在所述孔口的每个内的填充材料。
17.如权利要求1所述的装置，包括：
第一和第二贝氏垫圈(440，441)，其将所述第一和第二接触表面中的至少一个偏压向另一个，每个所述垫圈的周边均沿其轴线逐渐变小；
其中，所述第一和第二贝氏垫圈(Belleville washer)沿轴向对准并相反取向。
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