CN1755866A - 固态复合物熔断元件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态复合物熔断元件，该熔断元件包括导电材料的网络或本体，该网络分散有灭弧材料颗粒。在这样的本体中，导电网络和灭弧材料颗粒之间存在较大的接触表面积。当导电网络熔化及蒸发时，由于导电材料与灭弧材料之间有巨大的接触表面积、导电蒸气在灭弧材料颗粒间的扩散距离很短，产生的导电蒸气瞬时就能被灭弧材料颗粒吸收。

Description

固态复合物熔断元件及其制备方法

技术领域

本发明涉及过流保护的熔断器，更具体地说，本发明涉及一种由导电材料和灭弧材料(arc suppressing material)复合制得的熔断器元件。

背景技术

当今社会享受着大量的现代电子装置带来的便利和实惠，而这些电子设备遍布工业、商业和消费各领域。电子设备中包含着对于一定大小的电流敏感的电路或元器件。电子设备中出现浪涌(spike)或超正常水平的电流，通常就被认为是过电流的条件。过电流条件的发生会导致电子装置中的电路或元器件的受损或破坏。因此，设计人员经常采用熔断器来防止电路中发生过载情况。

熔断器是公知的并被普遍用于电路中的过电流保护器件。许多限电流的熔断器中采用金属丝、金属片或金属膜作为熔断元件。当流经熔断元件的电流超过规定的量值时，电流产生的热量将会熔化熔断元件，形成开路电路，从而防止进一步的过电流。但是，有时熔断元件熔化并蒸发，产生电弧。而这可能在被保护的电路中产生意外的电流，导致电路受损。因此，熔断元件通常由灭弧材料或屏蔽电弧的材料所包围。本领域中已经存在多种类型、多种结构的熔断器，例如在如下的美国专利文件中就描述了各种不同的此类熔断器：6,590,490；6,005,470；5,726,621；5,479,147；5,453,726；5,296,833；5,245,308；5,228,188；和2,864,917。

好的熔断器应该有优良的抑制电弧能力，且能在短时间内熄灭电弧。为了抑弧灭弧，一些材料如陶瓷粉末、玻璃、有机材料等被用来封闭熔断元件。这些灭弧材料吸收熔断元件熔化/蒸发所产生的金属蒸气，并切断通过电弧的电流。目前，在许多商业化的熔断器上，灭弧材料常被用在熔断元件的外围处。这种传统的熔断器的缺点之一是仅限定在熔断元件与灭弧材料间有限的接触表面上。因为导电材料与灭弧材料间的接触表面积有限，灭弧材料切断并熄灭熔断元件上过电流产生的电弧所需时间太长，电弧就可能在被保护的电路和元器件中产生大电流。因此，可以期待，熔断元件的导电材料与灭弧材料间更大的接触表面积，将有利于更好更快地熄灭电弧。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点、达到本发明的目的，本发明提供了一种由导电材料和灭弧材料复合而成、导电材料与灭弧材料之间的接触表面积更大、因而具有更好更快的灭弧能力的固态复合物熔断元件。

在本发明的一个实施方案中，熔断元件是由导电金属和/或合金与一种或多种灭弧材料复合而成。这些混合材料相互键合连接，形成导电颗粒(如粉末)的导电网络，而灭弧材料颗粒(如粉末)则混合并被嵌合包埋在该导电颗粒的网络中。这样，导电材料和灭弧材料相互混合，并达到微观尺度或颗粒水平的相互接触。这种内连接的颗粒网络使得导电材料和灭弧材料之间具有更大的接触表面积。这样，一旦熔断元件熔化、蒸发和生成电弧时，由于金属蒸气在灭弧材料中的扩散距离缩短，灭弧材料即能在非常短的时间内熄灭电弧。

在另一实施方案中，金属或合金膜被涂敷在一种或多种灭弧材料颗粒或粉末表面。涂敷有金属和/或合金的灭弧颗粒随后被压制成或用粘结剂粘结成熔断元件。在一种实施方式中，后续的烧结工艺将这些颗粒或粉末烧结形成固态体。

在再一实施方案中，金属和/或合金颗粒或粉末与灭弧材料颗粒或粉末混合，并用粘结剂进行粘结而不经烧结。粘结剂包括环氧树脂、硅橡胶和热塑性塑料。

在又一实施方案中，用导电金属和/或合金膜涂敷灭弧材料颗粒(如粉末)，然后经混合并用粘结剂粘结。粘结剂包括环氧树脂、硅橡胶和热塑性塑料。

以下，结合具体实施方式和附图，对本发明的技术解决方案作进一步说明，其中，类似或相同的部件标有类似或相同的数字标记。

附图说明

图1为由本发明复合物熔断元件所构成的表面安装型熔断器的剖视示意图及局部剖视示意图。

图2为由本发明多层平行复合物熔断元件所构成的表面安装型熔断器的剖视示意图及局部剖视示意图。

具体实施方式

                           实施例1

图1所示为本发明的熔断器100的剖视示意图。该熔断器100包括基体102，该基体由一层或多层绝缘材料制成，例如由玻璃陶瓷、玻璃粘合氧化铝或玻璃粘合氧化硅(glass bond alumina or silicate)、玻璃、陶瓷材料、含阻燃剂的聚合物或其他已知的合适绝缘材料。两个导电端头104固定在基体102的相对两端，并与熔断元件106的两头电连接；熔断元件106被置于基体102内并处于两个导电端头104之间。

图1中的圆形区域为熔断元件106的局部放大剖视图。在该局部剖视图中，熔断元件106包括导电金属和/或合金颗粒108(由黑色实体圆形颗粒表示)与灭弧材料颗粒110(由白色圆形颗粒表示)的复合物。在某一实施方式中，颗粒108和110被混合、结合在一起，形成由导电颗粒相互连接而成的导电网络，其中，灭弧材料颗粒被包埋在导电网络内与导电颗粒相接触。该熔断元件内，导电颗粒与灭弧材料颗粒间相互连接的网络为导电颗粒与灭弧材料之间提供了巨大的接触比表面积，从而有利于灭弧材料迅速熄灭电弧。

当通过熔断元件106的电流超过一定值时，电流产生的热量开始熔化熔断元件106的导电颗粒108(如金属颗粒)和灭弧材料颗粒110(如玻璃颗粒)，导致形成“开路”。但是，金属颗粒108的熔化和蒸发，形成了可产生电弧的金属蒸气。而正在熔化或已经熔化的玻璃颗粒110能吸收金属蒸气，进而切断电弧电流。由于灭弧材料110和导电材料108之间的接触面积增大，在导电蒸气与熔化的灭弧材料之间的扩散距离缩短，本发明的熔断元件106能够实现快速灭弧或抑弧。此外，因为熔断元件106能提供强大的灭弧能力，与其他具有相同或可比尺寸的熔断器相比，包括熔断元件106的固态复合物熔断器100可具有更高的额定电流和额定电压。

可以根据熔断器100所需的导电性、熔化温度、电压和/或电流值，调整导电材料与灭弧材料的比率以及采用不同的导电材料和/或灭弧材料。导电材料可以包括各种金属及其合金，如银、金、锡、锌、铜和铝，或者这些金属、其他已知导电材料的混合物或结合物。灭弧材料可以包括各种玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷、无机盐，或者这些灭弧材料、其他已知灭弧材料的混合物或结合物。本领域的普通熟练技术人员，无需过多试验，可根据本发明，采用上述各种材料的不同比率和组合设计出熔断元件106，从而实现具有某些特性和/或电压和/或电流值的熔断器。在某一实施方式中，导电材料相对灭弧材料和导电材料总体积的体积比率超过50％，使得在熔断元件106中导电材料108的体积等于或者超过灭弧材料110的体积。

更值得注意的是，图1和图2并非按比例绘制，其仅仅是用来表示本发明的某些特征或内容。例如，虽然颗粒108和110在图1中是圆形，他们还可以是其他各种形状和尺寸，如椭圆形、立方形或任何其他形状。在某一实施方式中，颗粒的粒径范围是从0.3到20微米。然而，各种其他形状和尺寸的颗粒都能用于本发明中。

此外，圆形局部视图106A中颗粒108和110的数目也仅仅是示意性的，并不必然地代表其在熔断元件106的剖视图中实际存在的颗粒。在实际的熔断元件106剖面中，要包括数量大很多的颗粒108和/或110，且它们之间的堆积更加紧密。

在某一实施方式中，制备复合熔断器100的方法包括把某金属或合金粉末与灭弧材料粉末进行混合。这种粉末混合物随后被挤压在一块，并通过一种或多种粘结剂胶粘在一起，制成熔断元件106。粘结剂可以包括环氧树脂、硅橡胶和/或热塑性塑料、或者其他已知合适的粘结剂或它们的结合物。

在某一实施方式中，采用已知的粉碎和研磨工艺将粘结剂加入到上述粉末混合物中。例如，粘结剂可以溶解在溶剂中，然后将粉末与粘结剂溶液相混合。当熔断元件106成形后，干燥排除溶剂，得到粘结剂与粉末的粘结体。在又一实施方式中，采用高剪切混合(例如辊磨、球磨、高速搅拌机等)将粘结剂或粘结剂溶液与所述粉末混合均匀。此后，通过丝网印刷、挤出、模塑、压制、压印和/或其他本领域的已知技术制备出熔断元件106形体。

在某一实施方式中，后续的烧结工艺将金属或合金与灭弧材料粉末共同烧结成为熔断元件本体。烧结是一种已知的粘结工艺，其利用热扩散使分散的颗粒彼此粘结。材料的烧结温度取决于所用材料的种类。此行业的普通技术人员知道以上所述各种材料相应的烧结温度。烧结温度应该低于颗粒材料的熔点，典型的烧结温度介于摄氏500度与1000度之间。典型的烧结时间从10分钟到数小时。

在各种实施方式中，复合物熔断元件106中的导电网络可以由单一金属粉末、具有不同熔点的金属粉末混合物、单一合金粉末或合金粉末混合物、或金属和/或合金粉末的混合物制得。灭弧材料可以由玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷、无机盐或这些材料的混合物制得。熔断元件106可以同基体层102共同烧结，也可以单独烧结后在随后的熔断器100装配阶段中再装配基体层102。

                          实施例2

图2所示为本发明的另一熔断器200。该熔断器200包括有绝缘材料制成的基体202、在基体202各端的两个导电端头204。有多个熔断元件206位于两个导电端头204之间、处于基体202内部，其相互平行地与两个导电端头204连接。根据熔断器200的额定电流，熔断器200可以具有一个或多个平行连接(并联)的熔断元件206。在图1中也是这种情况。

图2的圆形区域206A显示了熔断元件206局部放大的剖视图。如圆形区域206A中所示，熔断元件206包括许多灭弧颗粒208(以白圈表示)，在这些灭弧颗粒208表面涂敷有导电材料膜层210(由围绕着灭弧颗粒208的黑色环或带表示)。涂敷工艺可以是蒸气沉积、电镀或无电极镀/化学镀(electrical or electro-less plating)或其他本领域已知的涂敷工艺。经过金属和/或合金涂敷所得的粉末颗粒208、210随后被胶粘或挤压成形，制得熔断元件206。涂敷颗粒208、210有关的混合和粘结剂、胶粘溶液的技术，则如实施例1中所述。在某一实施方式中，后续的烧结工艺将上述颗粒烧结，形成固态的熔断元件206本体。导电材料、灭弧材料和粘结剂与实施例1中所描述的类似。

在实施例1的一种实施方式中，金属和/或合金粉末和灭弧材料粉末，仅仅经过混合和粘结剂粘结而不经烧结。类似地，在本实施例中，如图2中所描述的经过导电材料敷膜的灭弧材料粉末仅仅经过混合和粘结剂粘结而不经烧结。粘结剂可以包括环氧树脂、硅橡胶、和/或热塑性塑料、或者其他已知合适的粘结剂或它们的结合物。

如上所述，本发明提供了一种具有优越的灭弧特性的新型熔断元件。该熔断元件包括导电材料的网络或本体，该网络或本体提供导电通路，这些导电通路中分散有颗粒状的灭弧材料并与之相互接触。在这样的本体中，导电(如金属)网络和灭弧材料颗粒之间存在巨大的接触表面积。当导电网络熔化及蒸发时，由于导电颗粒与灭弧材料颗粒间有巨大接触表面积、导电蒸气在灭弧材料颗粒间的扩散距离很短，因而产生的导电蒸气瞬时就能被灭弧材料颗粒吸收。因此，本发明的复合物熔断元件具有优越的灭弧性能，与同等尺寸的传统熔断器相比，具有更高的额定电流和/或电压值。

上面描述了本发明的一些优选实施方式，但可以理解，上述的这些实施方式仅是举例而已，而不是对权利要求所要求保护范围的限制。本领域的普通熟练技术人员，勿需过多试验，就可对上述优选实施方式进行改进，而这种改进都应该属于权利要求所要求的实质内容及其保护范围。

Claims (14)

1、一种固态复合物熔断器，该固态复合物熔断器包括：

熔断器基体，该熔断器基体具有第一端头和第二端头；

第一导电端头，该导电端头位于所述基体的第一端头上；

第二导电端头，该导电端头位于所述基体的第二端头上；

固态复合物熔断元件，该熔断元件位于所述的熔断基体内，其包括分别电偶连到第一导电端头和第二导电端头上的两端，而且所述的固态复合物熔断元件包括导电材料形成的导电网络和分散于该导电网络中并与之相接触的灭弧材料颗粒。

2、如权利要求1所述的熔断器，其特征在于，所述的导电材料形成的导电网络包括导电材料颗粒，该导电材料颗粒与所述的灭弧材料颗粒相互混合并相互接触。

3、如权利要求2所述的熔断器，其特征在于，所述的导电材料颗粒与所述的灭弧材料颗粒之间通过粘结剂相互粘结。

4、如权利要求2或3所述的熔断器，其特征在于，所述的导电材料颗粒进一步与所述的灭弧材料颗粒烧结。

5、如权利要求1所述的熔断器，其特征在于，所述的复合物熔断元件被烧结到所述的熔断器基体上，或所述的复合物熔断元件被单独烧结后安装到所述的熔断器基体上。

6、如权利要求1所述的熔断器，其特征在于，所述的导电网络包括附着在所述灭弧材料颗粒上的导电材料涂层。

7、如权利要求6所述的熔断器，其特征在于，所述的涂覆有导电材料的灭弧颗粒，通过粘结剂而相互粘结。

8、如权利要求3或7所述的熔断器，其特征在于，所述的粘结剂选自于环氧树脂、硅橡胶和热塑性塑料。

9、如权利要求6或8所述的熔断器，其特征在于，所述的涂覆有导电材料的灭弧颗粒被进一步烧结，使其相互粘结。

10、一种制备固态复合物熔断元件的方法，其包括如下步骤：

将导电材料粉末与灭弧材料粉末混合；以及

在所得的混合物中加入粘结剂，使导电材料粉末颗粒与灭弧材料粉末颗粒粘结。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括如下的步骤：烧结所述的导电材料粉末与灭弧材料粉末的混合物，形成导电材料颗粒与灭弧材料颗粒的固态复合体。

12、一种制备固态复合物熔断元件的方法，其包括如下步骤：

在灭弧材料颗粒上涂敷一层导电材料；以及

通过粘结剂，将涂敷有导电材料的灭弧材料颗粒相互粘结。

13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括如下步骤：烧结所述的涂敷有导电材料的灭弧材料颗粒，以使这些颗粒相互粘结。

14、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述灭弧材料颗粒包括灭弧材料粉末。

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