CN1452201A - 超温保护装置及其温度敏感材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于工业设备、消防、军事以及民生电子和电器设备的超温保护装置，本发明还涉及所述超温保护装置使用的温度敏感材料一种超温保护装置，旨在提供一种控制精确度高、可靠性高，结构简单的超温保护装置；超温保护装置的温度敏感材料(1)两端通过两个焊点(4)与超温保护装置的引线(2a)和(2b)相连接，用非导电性材(3)将引线(2a、2b)固定于导热性良好材料制成的外壳(5)内。

Description

超温保护装置及其温度敏感材料

技术领域

本发明涉及用于工业设备、消防、军事以及民生电子和电器设备的超温保护装置，本发明还涉及所述超温保护装置使用的温度敏感材料。

背景技术

目前广泛使用的超温保护技术主要有电子式的超温保护装置〔或电路〕和双金属片式保护器两种。电子式的超温保护装置由电源部分、探温部分、测试部分和控制部分四大部分组成，实际用于三相交流电动机的保护电路相当复杂，使用了上百个电子元器件〔或大规模集成专用电路〕，因此保护器的故障率高、可靠性较低，要经常检查其能否正常工作，给设备安全运行和管理带来许多问题和不便。双金属片式保护器虽然结构比较简单，但不适合于一次性切断电源的控制方式，在温度下降后会再次接通电源，仅适合于恒温控制的场合，另外控温设定精度不高，不能满足高精度控制的需要。

因此，有必要研究一种既简单又可适用各种场合使用，可靠性和控温精度比较高的技术和产品。经反复实验证明，采用本发明的温度敏感材料制造的超温保护元件，可以满足上述需要。根据控制温度的不同选用不同熔点的材料，还可根据使用场合和目的不用采用不同的构形和构造。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种控制精确度高、可靠性高，结构简单的超温保护装置。

本发明的目的还在于提供所述超温保护装置使用的温度敏感材料。

本发明的超温保护装置由温度敏感材料两端分别连接电极构成，所述温度敏感材料呈圆柱形、扁平形或弧形等。所述弧形可以是半圆形、椭圆形等。

关于温度敏感材料的形状为：是线材、片材或其组合，呈弧形、直线形、螺旋形或其组合，所述弧形可以是半圆形、椭圆形。

图1是本发明超温保护装置的结构示意图，温度敏感材料1两端通过两个焊点4与超温保护装置的引线2a和2b相连接，用非导电性材3将引线2a、2b固定于导热性良好材料制成的外壳5内。

其工作原理是：当使用温度在超温保护装置的动作温度以下时，超温保护元件无动作，保持2a和2b两端处于闭路状态〔R≈0欧姆〕，维持受控设备的正常工作；当使用温度在超温保护装置的动作温度以上时，超温保护装置的温度敏感材料1熔断，2a和2b两端转而进入开路状态〔R≈∞欧姆〕，与之串联的受控设备的电源被切断，实现超温保护目的。

上述超温保护装置可以采用以下温度敏感材料制成：

金属以及金属合金材料包括：Sn、Pb、Ti、Sb、Zn、Cu、Al、Fe、Co、Mg、Ag、Au等常温下为固体的金属以及它们的二元或多元合金。较低温度〔50～200℃〕控制时，主要使用Sn、Pb、Cd和Bi金属以及它们的二元或多元合金；中温度〔200～600℃〕控制时，主要使用Sn、Pb、Zn、Al和Mg金属以及它们的二元或多元合金；高温度〔600～1000℃以上〕控制时，主要使用Cu、Fe、Co、Ag、Au金属以及它们的二元或多元合金。根据需要配制不同熔点的金属或金属合金材料，可满足不同场合需求。或者

导电高分子材料包括：聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔以及芳族二胺氧化聚合物等导电高分子材料以及它们的共聚物等。由于导电高分子材料的耐热性能不高，多用于中低温段控制元件。或者

导电氧化物、结晶盐类材料包括：ZrO等导电氧化物以及NaCl、CuSO₄等结晶盐类也可用来制造中低温段控制元件。或者

石墨等碳材料包括：石墨、碳纤维、炭粒等材料，还可以通过添加各种物质来改变其导电性能。或者

其它复合材料：以上材料组成的二元或多元复合材料。如在普通高分膜的一侧化学镀上Sn-Pb合金膜，向另一侧弯曲制成具有拉应力的元件，具有较低温控制能力和敏锐突变能力。

本发明用于超温控制方面与现有技术比较有以下优点：

1.结构简单，元件体积小、重量轻。用本发明的温度敏感材料制成细线状，再组装成超温保护装置，包括两端引线其外观尺寸约为D＝1mm、h＝5mm，适用电路板面安装等特殊场合。也可设计成重量不足0.05g微型元件，适合于小型电子设备的超温保护。

2.超温保护控制的可靠性高。本发明的超温保护装置，用一个超温保护器件完成控制目的，比现有的需要上百个元器件才能实现控制目的温控器的可靠性大为提高，因为系统的可靠性与组成该系统的零部件数成反比例关系。

3.根据需要可灵活变化外观尺寸形状，满足不同使用要求。此如a项中列举的长圆条形状装置，适合线路板安装使用；设计成长针形状，可用于反应容器内部某固点的超温控制使用；设计成软管长线形状，绕于管道外侧可进行管道全线的多点超温控制或超温报警；设计成大气外露形应力膜片形状，可用于火灾自动灭火控制和火灾报警等。

4.控制容量大。可以根据需要设计出控制几十甚至上百安培电流的控制装置，如电热水器过温防爆应用时，直接将超温保护装置串联于发热体电路中使用就可以，而不需要其它电路和元件配合使用，自动化程度和可靠性大大提高。

5.材料资源丰富，制造的控制装置成本低。本发明的温度敏感材料以锡合金及导电高分子材料为主，是常用材料之一，加上控制元件的制造工艺不太复杂，采用普通电子元器件生产工艺技术就可以满足生产需要，制造成本可以大幅下降。

6.本发明超温保护装置能够解决如下问题：

(1).开发出新的超温控制技术和手段。

(2).解决目前超温控制技术可靠低的问题。

(3).解决火灾监控设备中热监测核心元件不足、灵敏度低的问题。

(4).解决特殊军事用途的超温控制技术问题。如运载火箭燃料泄漏造成高温燃烧检测方面，安装于运载仓外的本发明超温控制元件，可检测到这种高温，并且快速动作而分离火箭，减少因爆炸造成人员伤亡和设备损失。满足高可靠性、快速动作、抗振性能以及自身质量轻等技术要求。

(5).解决超温控制设备成本高或者控制精度不足的问题。

附图说明

图1是本实用新型超温保护装置结构示意图。

图2是本实用新型复合膜应力式超温保护装置结构示意图；

图3是本实用新型非导电材料填充式超温保护装置结构示意图；

图4是本实用新型小型面装超温保护装置构造示意图；

图5是本实用新型长针尖型面装超温保护装置构造示意图；

图6是本实用新型长线式超温保护装置构造示意图。

具体实施方式

如用于电热水器过热防爆场合，可使用图1所示构造的90～95℃超温控制装置，连同电发热体一起安装于电热水器筒内，直接控制发热体的电源，当出现异常升温到达温控点时〔正常使用温度设定＜85℃＝，超温控制元件动作切断电源达到安全防爆目的。这种保护必须在专业人员更换超温控制元件后，方可以再次投入使用，以防二次事故发生。

如图2所示，温度敏感材料1呈弧形，采用Sn-Pb合金膜，元件的引线2a、2b用引线支架6固定，非导电性材3采用高分膜材料，5是外壳。

用于建筑物内部火灾感热控制自动淋水和报警时，可采用如图2所示的复合膜应力式超温保护装置，在普通高分膜3的一侧镀上Sn-Pb合金膜1，向另一侧弯曲制成具有拉应力的弧形元件，具有较低温控制能力和敏锐突变动作能力。因为在拉应力作用下，Sn-Pb合金膜更易熔断。用于室内感测火灾高热气体场合时，选用开放式更为灵敏和快速动作。

如图3所示，非导电填充材料7填充在外壳5内的非导电性材3之间的空隙。

通过在外壳内的腔体填入各种非导电氧化物颗粒或海棉体等，吸收熔断的温感材料，提高使用耐压和防止2次短路。如图3是在腔体内填入非导电氧化物颗粒7。

如图4所示，温度敏感材料1采用温度敏感膜；非导电填充材料7填充在外壳内的空隙中。

本发明的超温保护装置的外观形状可根据使用要求制成圆柱形、薄板形、方体形、球体形等各种形状和形态。图4所示可设计成小型面装超温保护元件，温度敏感膜1两端通过两个焊接线4与超温保护元件的引线焊接面2a和2b相连接，用非导电性材3将上温度敏感膜1和引线焊接面2a和2b固定成小方形而构成。为了减少焊接时热对温度敏感膜1的影响，有意识地延长了焊点4与焊接面2a和2b的相连线的长度。

如图5所示，温度敏感材料1是线材，呈长针尖型。

本发明的超温保护装置的材料部分的形状还可以是丝状、薄膜状、薄板状、网状、海绵体和棒状等各种形状和形态。图5所示的长针尖型面装超温保护装置，温度敏感线材1两端通过两个焊接线4与超温保护元件的引线2a和2b相连接而构成。温度敏感线材1与元件测试园顶部很接近，利于控制某一个特定点的温度。

如图6所示，温度敏感材料1呈螺旋形线材，缠绕在非导电性材3上，芯线是引线2，温度敏感材料被非导电纤维编织保护网8包裹，外壳5是非导性硅胶类制成的外皮。

图6中，可根据需要制成各种长度，绕在被监测管道、容器外面或平行排列布网进行大面积多点监测，当某点温度达到温度敏感线材1的动作点时，监测线中温度敏感线材1的两端开路实现监控目的。同时利用导电芯线2两端的开闭路状态，可排除非温度敏感线材1的动作造成的断线，可提高超温保护控制的抗干扰能力。

效果分析：

对结构特征或作用关系进行分析，本发明具有的优点和效果：

a.结构简单，元件体积小、重量轻。可以设计成外观尺寸约为D＝1mm、h＝5mm或重量不大于0.05g微形元件，适用电路板安装等特殊场合使用。

b.超温保护控制的可靠性高。本发明的温度敏感材料制造的超温保护元件，用一个超温保护器件可完成控制的目的，比现有的需要上百个元件才能实现控制目的温控电路的可靠性大为提高。

c.根据需要可灵活变化外形尺寸形状，满足不同使用要求。长条形状元件，适合线路板面安装使用；长针形状元件，可用于反应容器内部某固点的超温控制；长线形状元件，绕于管道外侧可进行管道多点的超温控制；大气外露型元件，可用于火灾自动灭火控制和火灾报警等。

d.控制容量大。可以根据需要设计出控制几十甚至上百安培电流的控制装置，直接控制电器设备，而不需要其它电路和元件辅助，自动化程度和可靠性大为提高。

e.材料来源丰富，采用普通电子器件生产工艺技术就可以生产和制作，装置成本可以大幅下降，有利于推广使用，在广泛领域内低成本地替代现有技术和设备。

理论分析：

本发明的超温保护装置用于超温保护，与现行技术的理论基础和控制机理完全不同，尤其是利用材料某特定温度下熔断来实现控制的方式和技术，是至今为止尚没有的。正因为采用了这样控制理论和方式，引入了一种简单实现超温控制技术，进而大大降低控制的成本、超温保护元件体积小、重量轻和结构简单，同时大大提高了控制的可靠性。

实验数据分析：

使用本发明的温度敏感材料按如图一所示制造的一个实用超温保护装置，经实验测试数据证明符合实际使用要求：图一中1采用熔点为135℃Sn-Pb的温度敏感材料，其长度为1.0cm，5用壁厚为0.1mm的外直经D＝4.0mm铝合金外壳构成的超温保护元件，通过元件2a和2b的电流可以达1A左右，当环境温度到达135℃时，在10～30秒钟内动作进入开路状态，2a和2b两端引加交流50Hz380V电压长时间都没有观察到漏电现象，说明符合交流380V1A负载条件使用的技术要求。

常用70～140℃范围的超温保护装置的温度敏感材料配方之一如下：成分              Pb           Sn           Cd            Bi          动作温度℃含量〔Wt.％〕    27.1         13.4         10.0          49.5             70

             27.0         24.0          0            49.0             95

             45.0         0             0            55.0             125

             35.0         30.0          0            35.0             140

上述温度敏感材料制作方法为：

取各种纯度为99.5％以上金属材料，按所需量精确称量，放入白金钳锅内，在纯氮气保护下加温至熔化，全熔后加温至动作温度10℃以上并保持30分钟，确保合金相均匀分布。在加热炉内自然冷却至室温，制成合金锭。根据温控元件的需要，制成薄片或条状，切成所需规格尺寸，连接两个引线而构成特定温度的温控元件。

实施例1

按图1所示构造制造的普通型超温保护装置，温度敏感材料1采用熔点为165℃的Sn-Pb合金丝，其直经为0.5mm，两端通过两个焊点4与超温保护元件的引线2a和2b相连接，用环氧树脂3将引线2a、2b固定于壁厚为0.2mm的铝合金外壳5内构成。当使用温度不超过165℃下时，超温保护元件不动作，保持2a和2b两端处于闭路状态〔R≈0〕，维持受控设备的正常工作；当使用温度超过165℃时，在10～30秒钟内材料1熔断而动作，2a和2b两端转而进入开路状态〔R≈∞〕，与之串联的受控备设的电源被切断，实现超温保护目的，可用于一般电子电器设备中，在一些要求动作时间更短的场合，可选使用多孔外壳或无外壳的方品。

实施例2

按图2所示构造制造的火灾感热式超温保护装置，在塑料膜3的一侧镀上Sn-Pb合金膜1，截切3.0×20mm小片，向PE膜的一侧内弯曲，固定于引线2a、2b制成具有拉应力的元件。当建筑物内部因火灾而温度升高时，拉应力作用下的Sn-Pb合金膜可快速熔断，控制自动淋水和报警时。元件的控制温度点的高低，可以通过材质选用、膜厚、应力大小以及外壳形态来调节。

实施例3

按图6所示构造制造的长线式超温保护装置，温度敏感线材1采用1.0mm工业用焊锡〔Sn-Pb合金Pb含量为10～20％〕绕在涂覆硅橡膜材料3的铜芯线2上面，再在其上面用玻璃纤维编织间隔为0.5mm的保护网8，虽后再用硅橡材料在冷水降温下成型其外皮5，气态加热交联固化而构成。可根据需要各种长度，绕在被监测管道、容器外面或平行排列布网进行大面积多点监测，当某点温度达到温度敏感线材1的动作点时，监测线中温度敏感线材1的两端开路实现监控目的。同时利用导电芯线2两端的开闭路状态可排除非温度敏感线材1的动作造成的断线，可提高超温保护控制的抗干扰能力。玻璃纤维编织保护网8除增加机械强度外，还可以有效分散和吸收熔断的Sn-Pb合金，以防二次短路接触。

Claims (10)

1、一种超温保护装置，其特征在于温度敏感材料(1)两端通过两个焊点(4)与超温保护装置的引线(2a)和(2b)相连接，用非导电性材(3)将引线(2a、2b)固定于导热性良好材料制成的外壳(5)内。

2、根据权利要求1所述的超温保护装置，其特征在于所述温度敏感材料的形状是线材、片材或其组合，呈弧形、直线形、螺旋形或其组合。

3、根据权利要求2所述的超温保护装置，其特征在于所述弧形是半圆形、或椭圆形。

4、权利要求1所述的超温保护装置使用的温度敏感材料，其特征在于由金属以及金属合金材料制成，包括：Sn、Pb、Ti、Sb、Zn、Cu、Al、Fe、Co、Mg、Ag、Au、或常温下为固体的金属以及其中的二元或多元合金。

5、根据权利要求4所述的超温保护装置使用的温度敏感材料，其特征在于在50～200℃控制时，使用Sn、Pb、Cd或Bi以及它们的二元或多元合金。

6、根据权利要求4所述的超温保护装置使用的温度敏感材料，其特征在于在200～600℃控制时，使用Sn、Pb、Zn、Al、或Mg以及它们的二元或多元合金。

7、权利要求1所述的超温保护装置使用的温度敏感材料，其特征在于由聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、芳族二胺氧化聚合物、或其中两种及以上共聚物制成。

8、权利要求1所述的超温保护装置使用的温度敏感材料，其特征在于由导电氧化物、NaCl、CuSO₄制成。

9、权利要求1所述的超温保护装置使用的温度敏感材料，其特征在于由石墨、碳纤维、炭粒制成。

10、权利要求1所述的超温保护装置使用的温度敏感材料，其特征在于由权利要求5、7、8、9所述材料的二元或多元复合材料制成。

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