CN1663005A - 温度保护元件 - Google Patents

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Abstract

本发明的温度保护元件，具有导电性聚合物5介于两个电极6、7间的聚合物PTC元件1和与该聚合物PTC元件1的一个电极7连接的金属构件2，当周边的环境温度超过规定的温度时，在聚合物PTC元件1的另一个电极6和金属构件2之间解除通电状态，其特征在于，导电性聚合物5具有当环境温度超过规定的温度时热膨胀的特性，金属构件2选用因热膨胀过热的导电性聚合物5的发热而导致熔化的材料。

Description

温度保护元件
技术领域
本发明涉及温度保护元件，其用于构成例如家电产品等的电气设备的电路，当周边的环境温度超过规定的温度时，解除到电路的通电以确保该电气设备的安全。
背景技术
几乎所有家电产品都使用温度保护元件，当周边的环境温度超过界限值时解除到电路的通电以确保设备的安全。这类温度保护元件采用比较廉价的筒形保险丝、链熔线、插入式保险丝等，但是一般它们的额定电流小(2A(安培)左右)，因而不能用于象例如电子加热器一样使用的电路电流比较大的(15～20A左右)家电产品。因而，这样的家电产品有时采用使用双金属材料的断路器作为温度保护元件。
但是，该双金属型断路器部件数往往构造复杂，且与上述各种保险丝相比非常昂贵，成为导致家电产品的制造成本上升的原因之一。
发明的公开
本发明鉴于上述问题而提出，目的在于提供构造简单且廉价的温度保护元件。
为了解决上述的课题，采用以下的装置。即，本发明的温度保护元件，具有导电性聚合物介于两个电极间的聚合物PTC元件和与该聚合物PTC元件的一个电极连接的金属构件，当周边的环境温度超过规定的温度时，在上述聚合物PTC元件的另一个电极和上述金属构件之间解除通电状态，其特征在于：上述导电性聚合物具有当上述环境温度超过上述规定的温度时热膨胀的特性，上述金属构件选用因热膨胀过热的上述导电性聚合物的发热而导致熔化的材料。
导电性聚合物是例如揉制聚乙烯和黑烟末后，通过放射线交联而构成的高分子树脂体。导电性聚合物的内部，由于常温环境下黑烟末的粒子存在联结，因而形成电流流动的多个导电通道，发挥良好导电性。但是，若周围的环境温度的上升或流过导电通道的电流的超过等导致导电性聚合物热膨胀，则黑烟末的粒子间距离扩大，导电通道被切断，导电性急剧降低(电阻值急剧增大)。这称为导电性聚合物的正电阻温度特性即PTC(Positive TemperatureCoefficient)，本发明利用该特性。
首先，在电气设备的电路中设置本发明的温度保护元件，使聚合物PTC元件的另一个电极和金属构件之间通电。常温的环境下若该电路流过规定的电流，则导电性聚合物发挥良好导电性，确保电路的通电状态。
若电气设备的过热等原因导致包含本发明的温度保护元件的电路周边的环境温度上升并超过预定的界限温度(规定的温度)，则导电性聚合物受周围传来的热的影响而膨胀，内部的导电通道切断，电阻值急剧增大。而且，由于电阻值增大，过热的导电性聚合物的发热导致金属构件熔化，与聚合物PTC元件的另一个电极之间断开，通电状态被不可逆地切断。
本发明的温度保护元件起上述作用以确保电气设备的安全，其结构由导电性聚合物介于两个电极间的聚合物PTC元件和熔点比较低的金属构件组成，与双金属型断路器比较，由于部件数少且构造简单，因而可实现廉价的制造成本。
本发明的温度保护元件，一种温度保护元件，具有导电性聚合物介于两个电极之间的第1聚合物PTC元件、导电性聚合物介于相同的两个电极之间的第2聚合物PTC元件、在上述第1聚合物PTC元件的一个电极和上述第2聚合物PTC元件的一个电极之间架设并分别与它们连接的第1金属构件以及在上述第1聚合物PTC元件的另一个电极和上述第2聚合物PTC元件的另一个电极之间架设并分别与它们连接的第2金属构件，当周边的环境温度超过规定的温度时，在上述第1聚合物PTC元件的一个电极和上述第2聚合物PTC元件的另一个电极之间解除经由上述第1、第2金属构件而通电的状态，其特征在于：上述第1、第2聚合物PTC元件各自的导电性聚合物具有当上述环境温度超过上述规定的温度时热膨胀的特性，上述第1、第2金属构件选用因热膨胀过热的上述导电性聚合物的发热而导致熔化的材料。
本发明的温度保护元件由两个其导电性聚合物介于两个电极间的聚合物PTC元件和两个熔点比较低的金属构件组成，与双金属型断路器比较，由于部件数少且构造简单，因而可实现廉价的制造成本。而且，由于通电的通路并联构成，可以形成非常小型且可对应于电路电流比较高的电气设备。
图面的简单说明
图1是本发明的温度保护元件的第1实施例的示意图，是从一方透视温度保护元件的透视图。
图2是本发明的温度保护元件的第1实施例的示意图，是从另一方透视温度保护元件的透视图。
图3是在某电气设备的电路设置本发明的温度保护元件时，表示通电时间和聚合物PTC元件的表面温度的关系的曲线图。
图4是在某电气设备的电路设置本发明的温度保护元件时，表示通电时间和聚合物PTC元件的表面温度的关系的曲线图。
图5是本发明的温度保护元件的第2实施例的示意图，是从一方透视温度保护元件的透视图。
图6是本发明的温度保护元件的第2实施例的示意图，是从另一方透视温度保护元件的透视图。
发明的最佳实施例
[第1实施例]
参照图1至图4说明本发明的温度保护元件的第1实施例。图1及图2中，符号1是聚合物PTC元件，2是金属构件，3、4是可分别与聚合物PTC元件1及金属构件2通电地连接的端子。聚合物PTC元件1由矩形且板状的导电性聚合物5和与导电性聚合物5同形状同尺寸且与其两侧面连接的金属制的电极6、7组成。这样构造的聚合物PTC元件1是对在厚度均一的导电性聚合物的生板两面分别压制有成为电极6、7的镍箔的工件进行切割而成的。端子3、4成为在电气电路中设置本实施例的温度保护元件时的连接端子。
导电性聚合物5是例如揉制聚乙烯和黑烟末后，通过放射线交联而构成的高分子树脂体。导电性聚合物5的内部具有以下特性，由于常温环境下黑烟末的粒子存在联结，因而形成电流流动的多个导电通道，发挥良好导电性，但是若周围的环境温度的上升或流过导电通道的电流的超过等导致导电性聚合物5热膨胀，则黑烟末的粒子间距离扩大，导电通道被切断，导电性急剧降低(电阻值急剧增大)。
金属构件2用熔点比较低的材料形成细长方形状，与构成聚合物PTC元件1的一个电极7可通电地连接。端子3与构成聚合物PTC元件1的另一个电极6可通电地连接，端子4与金属构件2可通电地连接，但是与聚合物PTC元件1没有任何连接。它们成为在电气电路中设置本实施例的温度保护元件时的连接端子。
构成聚合物PTC元件1的导电性聚合物5及金属构件2具备以下所述的特性，使得当周边的环境温度超过界限温度(规定的温度)p℃时，上述构成的温度保护元件具有可解除电路电流qA(安培)电路的通电状态的功能。
首先，如图3所示，使导电性聚合物5具备以下特性：因电路电流qA的通电而发热，与环境温度的高低无关，保持自身温度比此时的环境温度高，同时若环境温度超过界限温度p℃，则开始热膨胀。
详细地说，导电性聚合物5即使没有热膨胀，当通电时也会因产生的微量电阻而发热。因而，通电状态的导电性聚合物5的温度总是比此时的环境温度高(若为非通电状态，则导电性聚合物5的温度只是与环境温度相同，但是通过自身发热的热量而成为较高温度)。即，环境温度达到界限温度p℃时，导电性聚合物5的温度成为高于p℃的r℃。因而，导电性聚合物5具备以r℃作为动作温度，当自身温度超过r℃时开始热膨胀的特性。
而且，导电性聚合物5具有当热膨胀过热时发热量和放热量最终达到平衡状态，保持自身温度为大致一定的特性。达到平衡状态时的导电性聚合物5的温度比动作温度r℃高s℃左右。
这样的特性可通过适当调节导电性聚合物5中的黑烟末的含有量和交联时的放射线的照射量、适当设定导电性聚合物5的热膨胀时的电阻值而赋予。
接着，金属构件2选用其熔点在导电性聚合物5热膨胀开始温度(r℃)以上，且在热膨胀过热的导电性聚合物5的发热量和放热量达到平衡状态的温度(s℃)以下的材料。这里，令金属构件2的熔点为t(r≤t≤s)℃。
当如上构成且构成聚合物PTC元件1的导电性聚合物5及金属构件2被赋予上述特性的温度保护元件被设置到电路电流为qA(安培)的电气设备的电路中，使得端子3、4间通电，在常温的环境下在该电路通过qA的电流时，电流以端子3、电极6、导电性聚合物5、电极7、金属构件2、端子4的顺序(或相反顺序)流动。构成聚合物PTC元件1的导电性聚合物5在常温的环境下发挥良好的导电性，确保电路的通电状态。
当电气设备过热等的原因导致包含温度保护元件的电路周边的环境温度上升超过预定的界限温度p℃时，导电性聚合物5受周围传来的热的影响而膨胀，内部的导电通道切断，电阻值急剧增大。而且，由于电阻值增大，过热的导电性聚合物5的温度超过金属构件2的熔点t℃并趋向s℃，其发热导致与电极7之间的金属构件2熔断，端子3、4间的通电状态被不可逆地切断。
本实施例的温度保护元件具备上述功能，以确保超过界限温度的电气设备的安全，其结构由导电性聚合物5介于两个电极6、7间的聚合物PTC元件1和熔点比较低的金属构件2组成，与双金属型断路器比较，由于部件数少且构造简单，因而可实现廉价的制造成本。
另外，万一金属构件2不熔断，端子3、4间的通电状态持续，则由于发热量和放热量平衡，导电性聚合物5保持在s℃左右，因而不会有导电性聚合物5烧掉、两个电极6、7短路的危险，可确保安全。
本实施例的温度保护元件中，虽然向导电性聚合物5赋予了当环境温度超过界限温度p℃时开始热膨胀的特性和若热膨胀过热则发热量和放热量最终达到平衡状态使自身温度保持一定的特性，但是除了后者的特性，最好还向导电性聚合物5赋予以下特牲。即如图4所示，若热膨胀过热引起热失控，不能达到平衡状态，温度持续上升并最终自毁的特性。该场合的自毁是指由温度的上升导致急剧氧化而使性质变化成没有PTC特性的状态。这样的特性与上述同样，可通过适当调节导电性聚合物中的黑烟末的含有量和交联时放射线的照射量、适当设定导电性聚合物5热膨胀时的电阻值来赋予，但是，如上所述，与被赋予热膨胀时的发热量和放热量达到平衡状态的特性的导电性聚合物比较，热膨胀时的电阻值可被抑制得较低。
通过赋予上述的特性，从导电性聚合物5开始热膨胀的温度(r℃)到引起热失控而破坏的温度(u℃)为止的范围变得非常广，选定金属构件2时，由于只要采用在该温度范围内存在熔点的材料就可以，因而材料选择范围广，可选择更廉价的材料。另外，通过抑制热膨胀时的电阻值为较低，可抑制热膨胀时端子3、4间施加的电压，因而，结果可在更高电压的电路中使用该温度保护元件。
本实施例的温度保护元件中，还可以向导电性聚合物5赋予这样的特性：在端子3、4间流过远超过qA的过电流时发热，使自身温度高于金属构件2的熔点。若追加这样的特性，则在包含温度保护元件的电路中，即使在常温的环境下因某种原因导致流过过电流，导电性聚合物5产生因焦耳热引起的自身发热而热膨胀，过热的导电性聚合物5的发热导致金属构件2熔化，在与电极7之间断裂，通电状态被不可逆地切断。即，由于除了本来的温度保护元件的功能外还附加了过电流保护元件的功能，因而极大地提高了通用性。
[第2实施例]
参照图5及图6说明本发明的温度保护元件的第2实施例。另外，上述第1实施例中说明的构成要素附上同一符号，其说明省略。
图5及图6中，符号11、12都表示聚合物PTC元件(第1、第2聚合物PTC元件)，13、14都表示金属构件(第1、第2金属构件)，15、16是分别与聚合物PTC元件11、12连接的端子。聚合物PTC元件11、12的构造和形状与上述第1实施例说明的聚合物PTC元件1相同，聚合物PTC元件11是由矩形且板状的导电性聚合物17和与导电性聚合物17同形状同尺寸且与其两侧面连接的金属制的电极18、19组成，聚合物PTC元件12是由矩形且板状的导电性聚合物20和与导电性聚合物17同形状同尺寸且与其两侧面连接的金属制的电极21、22组成。两个聚合物PTC元件11、12在同一面内各边平行地间隔配置。
金属构件13用熔点比较低的材料形成细长方形状，在聚合物PTC元件11的一个电极18和聚合物PTC元件12的一个电极21之间架设并与它们可通电地连接。金属构件14在聚合物PTC元件11的另一个电极19和聚合物PTC元件12的另一个电极22之间架设并与它们可通电地连接。两个金属构件13、14尽可能间隔配置。
端子15与聚合物PTC元件11的电极18可通电地连接，与金属构件13没有任何连接，端子16与聚合物PTC元件12的电极22可通电地连接，与金属构件14没有任何连接。它们成为在电气电路中设置本实施例的温度保护元件时的连接端子。
构成聚合物PTC元件11、12的导电性聚合物17、20及金属构件13、14被赋予与构成上述第1实施例中的聚合物PTC元件1的导电性聚合物1及金属构件2同样的特性(参照图3)，使得当周边的环境温度超过界限温度(规定的温度)p℃时，上述构成的温度保护元件具备可解除电路电流为qA(安培)的电气电路的通电状态的功能。
如上构成且构成聚合物PTC元件11、12的导电性聚合物17、20及金属构件13、14被赋予上述特性的温度保护元件被设置到电路电流为qA(安培)的电气设备的电路中，使得端子15、16间通电。在常温的环境下在该电路通过qA的电流时，电流分二路并联流出，一路电流以端子15、电极18、金属构件13、电极21、导电性聚合物20、电极22、金属构件2、端子16的顺序(或相反顺序)流动，另一路电流以端子15、电极18、导电性聚合物17、电极19、金属构件14、电极22、端子16的顺序(或相反顺序)流动。构成聚合物PTC元件11、12的导电性聚合物17、20在常温的环境下发挥良好的导电性，确保电路的通电状态。
当电气设备过热等的原因导致包含温度保护元件的电路周边的环境温度上升超过预定的界限温度p℃时，导电性聚合物17、20受周围传来的热的影响而膨胀，内部的导电通道切断，电阻值急剧增大。而且，由于电阻值增大，过热的导电性聚合物17、20的温度超过金属构件13、14的熔点t℃并趋向s℃，其发热导致与电极18、21之间的金属构件13熔断，与电极19、22之间的金属构件14熔断，端子15、16间的通电状态被不可逆地切断。
本实施例的温度保护元件具备上述功能，以确保超过界限温度的电气设备的安全，其结构由两个聚合物PTC元件11、12和熔点比较低的金属构件13、14组成，与双金属型断路器比较，部件数少且构造简单，可实现廉价的制造成本。
另外，即使万一金属构件13、14不熔断，端子15、16间的通电状态持续，由于发热量和放热量平衡，导电性聚合物17、20保持在s℃左右，因而不会有导电性聚合物17、20烧掉、电极18、19或电极21、22短路的危险，可确保安全。
而且，本实施例的温度保护元件中，通电的通路并联构成，因而可以非常小型化并可对应于电路电流的比较高的电气设备。
本实施例的温度保护元件中，也可以向导电性聚合物17、20赋予以下特性：即热膨胀过热时导致热失控，不能达到平衡状态，温度持续上升并最终自毁的特性(参照图4)。从而，选定金属构件13、14时，由于材料选择范围广，可选择更廉价的材料。而且，可在更高电压的电路中使用该温度保护元件。
本实施例的温度保护元件中，还可以向导电性聚合物17、20赋予这样的特性：在端子15、16间流过远超过qA的过电流时发热，使自身温度高于金属构件13、14的熔点。从而，由于除了本来的温度保护元件的功能外还附加了过电流保护元件的功能，因而极大地提高了通用性。

Claims (5)

1.一种温度保护元件，具有导电性聚合物介于两个电极间的聚合物PTC元件和与该聚合物PTC元件的一个电极连接的金属构件，当周边的环境温度超过规定的温度时，在上述聚合物PTC元件的另一个电极和上述金属构件之间解除通电状态，其特征在于，
上述导电性聚合物具有当上述环境温度超过上述规定的温度时热膨胀的特性，
上述金属构件选用因热膨胀过热的上述导电性聚合物的发热而导致熔化的材料。
2.一种温度保护元件，具有导电性聚合物介于两个电极间的聚合物PTC元件和与该聚合物PTC元件的一个电极连接的金属构件，当周边的环境温度超过规定的温度时，在上述聚合物PTC元件的另一个电极和上述金属构件之间解除通电状态，其特征在于，
上述导电性聚合物具有当上述环境温度超过上述规定的温度而热膨胀并过热时，发热量和放热量最终达到平衡状态的特性，
上述金属构件选用因热膨胀过热的上述导电性聚合物的发热而导致熔化的材料，其熔点在上述导电性聚合物开始热膨胀的温度以上，且在热膨胀过热的上述导电性聚合物的发热量和放热量达到平衡状态的温度以下。
3.一种温度保护元件，具有导电性聚合物介于两个电极间的聚合物PTC元件和与该聚合物PTC元件的一个电极连接的金属构件，当周边的环境温度超过规定的温度时，在上述聚合物PTC元件的另一个电极和上述金属构件之间解除通电状态，其特征在于，
上述导电性聚合物具有当上述环境温度超过上述规定的温度而热膨胀并过热时，不能达到发热量和放热量的平衡状态而热失控的特性，
上述金属构件选用因热膨胀过热的上述导电性聚合物的发热而导致熔化的材料，其熔点在上述导电性聚合物开始热膨胀的温度以上，且低于热膨胀过热的上述导电性聚合物发生热失控而自毁的温度。
4.一种温度保护元件，具有导电性聚合物介于两个电极间的聚合物PTC元件和与该聚合物PTC元件的一个电极连接的金属构件，当周边的环境温度超过规定的温度时，在上述聚合物PTC元件的另一个电极和上述金属构件之间解除通电状态，其特征在于，
上述导电性聚合物具有当上述环境温度超过上述规定的温度而热膨胀、在上述另一个电极和上述金属构件之间流动过电流时发热，使得自身温度高于上述金属构件的熔点，
上述金属构件选用因热膨胀过热的上述导电性聚合物的发热而导致熔化的材料。
5.一种温度保护元件，具有导电性聚合物介于两个电极之间的第1聚合物PTC元件、导电性聚合物介于相同的两个电极之间的第2聚合物PTC元件、在上述第1聚合物PTC元件的一个电极和上述第2聚合物PTC元件的一个电极之间架设并分别与它们连接的第1金属构件以及在上述第1聚合物PTC元件的另一个电极和上述第2聚合物PTC元件的另一个电极之间架设并分别与它们连接的第2金属构件，当周边的环境温度超过规定的温度时，在上述第1聚合物PTC元件的一个电极和上述第2聚合物PTC元件的另一个电极之间解除经由上述第1、第2金属构件而通电的状态，其特征在于，
上述第1、第2聚合物PTC元件各自的导电性聚合物具有当上述环境温度超过上述规定的温度时热膨胀的特性，
上述第1、第2金属构件选用因热膨胀过热的上述导电性聚合物的发热而导致熔化的材料。
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