CN1983470B - 包含压敏电阻材料晶片的过电压保护装置 - Google Patents

包含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，包括第一和第二导电电极元件，一个由压敏电阻材料形成并与第一和第二电极元件中每一个电连接的压敏电阻元件，和一个导电可熔元件。该可熔元件因装置内的热而熔化，并通过该可熔元件在第一和第二导电电极元件之间形成一个电流通路。

Description

包含压敏电阻材料晶片的过电压保护装置
技术领域
本发明涉及电压过冲保护装置，尤其是包含压敏电阻材料晶片的电压过冲保护装置。
背景技术
对民用和商用及公用机构设备提供动力的供电线路上经常加有过量电压。这种过量电压即电压尖峰可能由于闪电等而产生。通讯传输中心，医院及其它一些设施尤其关注电压过冲问题，因为那些场所由电压过冲所造成的设备损坏及由此引起的停工代价可能很高。
一般采用一个或几个压敏电阻(即随电压而变的电阻器)来保护设备不受电压过冲的影响。通常将压敏电阻直接连到AC输入两端并与被保护线路并联。该压敏电阻具有钳制电压的特性，一旦电压增至规定电压值以上，它就为过电压电流形成一个低阻分路，以降低损坏敏感元件的可能性。一般在保护线路中提供线路保险器，它在电流过大或压敏电阻元件失效时可能爆裂或衰耗。
依照不同的应用压敏电阻有几种结构设计。对于防护通信设备等重负荷应用(例如，过冲电流容量在60至200kA左右的范围内)，一般使用块状压敏电阻。块状压敏电阻通常包含一个装在塑料外壳内的盘形压敏电阻元件。该压敏电阻盘是通过电压铸金属氧化物材料(如氧化锌)或其它合适的材料(如碳化硅)而形成的。通过火焰喷射将铜或其它导电材料喷到盘的背面。在已涂敷的背面接合一些环形电极，而且它和电极组件被封闭在塑料外壳内。这类块状压敏电阻的例子有Siemens Matsushita Components GmbH & Co.KG的产品No.SIOV-B860K250，和Harris公司的产品No.V271BA60。
另一种压敏电阻结构包含罩在盘形二极管管壳内的高能压敏电阻盘。该二极管管壳有一组相对的电极板，且压敏电阻盘处在电极之间。电极中的一个或两个包含一个处在电极板和压敏电阻盘之间的弹性元件，将压敏电阻盘固定到位。弹性元件只提供与压敏电阻盘比较小的接触面积。
另一种类型的采用压敏电阻晶片的过电压保护装置是希腊Raycap公司的Strikesorb过流保护模块，它可以形成RayvossTM瞬间电压过冲抑制系统的一部分。
发明内容
本发明各实施例的目标是一种过电压保护装置，它在提供安全持久和连贯地处理极端、重复和/或寿命终止的过电压状况方面有一些优点。
按照本发明各实施例，过电压保护装置包括第一和第二导电电极元件，由压敏电阻材料形成且与第一和第二电极元件中每一个电连接的压敏电阻元件，和一个导电可熔元件。该可熔元件由于该装置内的热量而熔化，并通过可熔元件在第一和第二电极元件之间形成电流通路。
按照某些实施例，由可熔元件形成的电流通路在第一至第二电极元件之间一直延伸，同时可熔元件与第一和第二电极元件中的每一个相连接。
可熔元件可由金属形成。按照某些实施例，可熔元件的熔点在110至160℃之间。
按照某些实施例，第一电极元件包含一个外壳，由它界定一个室，可熔元件和第二电极元件的至少一部分处在该室内。按照某些实施例，可熔元件被安装在该室内的那部分第二电极元件上。
按照某些实施例，在第一和第二电极元件间的室内有一个导电加强元件，该加强元件由熔点高于外壳材料熔点的材料制成，且安置在可接收第二电极元件产生的电火花的地方。该室可以密封。按照某些实施例，在该室内有一个电绝缘元件，它嵌在第一和第二电极元件之间。
按照某些实施例，过电压保护装置包括一个由压敏电阻材料做的压敏电阻元件和一个导电可熔元件。该装置使电流流过对过电压起反应的压敏电阻元件。该可熔元件由于该装置内的热量而熔化，并在装置内形成一个新的电流通路，以阻止装置的至少某些电诱发加热。按照某些实施例，新的电流通路使电流流出压敏电阻元件。
按照本发明各种方法的实施例，提供过电压保护的方法包括提供一种过电压保护装置，它包含第一和第二导电电极元件，一个由压敏电阻材料形成并与第一和第二电极元件中每一个电连接的压敏电阻元件，和一个导电可熔元件。该方法还包括由于装置内的热量而使可熔元件熔化，以通过可熔元件在第一和第二电极元件间形成电流通路。
对于本发明的其它特征，优点和细节，本专业技术人员可通过阅读下面一些优选实施例的附图和详细说明得以了解，该说明只是本发明的一个示例。
附图说明
构成本发明一部分的各附图表示本发明的一些关键实施例。附图和说明用来完整地说明本发明。附图中：
图1是按照本发明各实施例的一种过电压保护装置的分解透视图。
图2是图1过电压保护装置的顶透视图。
图3是沿图2中3-3线剖开的图1过电压保护装置剖面图。
图4是沿图2中3-3线剖开的图1过电压保护装置剖面图，其中过电压保护装置的可熔元件通过在纵向熔化而重新改变结构。
图5是沿图2中3-3线剖开的图1过电压保护装置剖面图，其中可熔元件已通过在横向熔化而重新改变结构。
图6是包含按照本发明各实施例的图1的过电压保护装置的一个电路示意图。
图7是按照本发明另一些实施例的过电压保护装置剖面图。
图8是按照本发明另一些实施例的可熔元件组件的分解透视图。
图9是按照本发明另一些实施例的可熔元件组件的分解顶视图。
具体实施方式
现在将参考各附图较全面地对本发明加以说明，附图表示本发明实施例的示例。为清楚起见，图中各区域的相对大小或尺寸有所夸大。不过，本发明可以按照许多不同的形式实现，而不限于这里展现的各实施例，正相反，之所以提供这些实施例，是为了使本说明更完整更全面，并将本发明的范畴完整地传达给本专业技术人员。
应当明白，当说到一个元件与另一个元件相“结合”或“连接”时，它可以是直接结合或连接到另一个元件上，也可以是存在中间的元件。相反，当说一个元件“直接结合”或“直接连接”到另一个元件上时，则不存在中间元件。图中类似的数字表示类似的元件。
另外，表示空间相对关系的词，如“下面”，“下方”，“下部”，“上方”，“上部”等，在这里是为了便于说明一个元件或特征与图中所示其它元件或特征的相互关系。应该明白，这些空间相互关系词应包含除图中所示的方位之外的其它不同装置在使用或操作中的方位。例如，若把图中的装置倒过来，则所称在其它元件或特征“下面”或“之下”的元件将变成在其它元件或特征的“上方”。装置也可以是另外的取向(旋转90度或在其它方位)，这时就要相应地改变对这里所用的一些空间相互关系词的理解。
为简明扼要起见，将不对一些大家熟知的功能或结构作说明。
这里引用的“和/或”一词包括一个或几个所列相关内容的任意和全部组合。
这里所用的术语仅仅是为了说明各具体实施例，而不是对本发明的限制。除非文中清楚地指明，这里所用的单数形式“一”，“一个”和“该”也包括其复数形式。还应明白，当本说明用术语“包括”和/或“包含”来说明指明的特征、整数、步骤、操作、元件的存在时，并不排斥一个或几个其它特征，整数、步骤、操作、元件“和/或”其组合的存在或增添。
除非特别指明，此处用到的全部术语(包括技术和科学术语)具有本发明所属行业专业技术人员通常所了解的相同意义。还应明白，应把常用词典中定义的术语理解为具有与相关行业范围内相一致的意义，且除非特别说明，不应作理想化的或太形式化的理解。
这里所用的“晶片”一词，是表示厚度比直径、长度或宽度更小的基片。
参照图1-5，其中显示按照本发明第一实施例的过电压保护装置100。该装置100具有长度方向的轴线A-A(图3)。装置100包括外壳120，活塞形电极130，压敏电阻材料晶片110，和下面将会详细讨论的其它一些元件。外壳有一个端电极壁122(图3)和一个从电极壁122伸出的圆柱侧壁124，侧壁124和电极壁122形成一个室或腔体121，它与开口126连通。从外壳120向外伸出一个螺纹柱或螺柱129(图3)。电极130有一个处在腔体121内的端部132和一体化的轴134，后者向外穿过开口126。压敏电阻晶片110处在腔体121内电极壁122和端部132之间并与其中每一个相接触。该装置100还包括一个导电可熔元件180，后者可防止装置过热或热失控，这在下面会详细讨论。
使用时可将装置100直接连接到AC或DC输入(如供电箱)两端。供电线直接或间接连接至电极轴134和外壳柱129的每一个上，使通过电极130，压敏电阻晶片110，外壳电极壁122和外壳柱129提供一个电流通路。未出现过电压状态时，压敏电阻晶片110提供高电阻，使得流过装置100的电流不大，就好象在电气上是开路的。在过电压状态(相对于该装置的设计电压而言)下，压敏电阻晶片的电阻急剧减小，使电流流过装置100并产生电流短路，以保护相关电气系统其它元件。本专业技术人员都很熟悉压敏电阻装置一类过电压保护器的普通使用和应用，因而这里不再详述。
现在来看装置100的详细结构。该装置100还包括位于腔体121内的弹簧垫圈140、平面垫圈145、绝缘环150、端盖160、卡子170和O圈172，174，175。下面将对其中每一个元件作详细说明。
外壳120的电极壁122有一个朝内的基本平的接触面122A。侧壁124的内表面有一个环形槽123。按照某些实施例，外壳120用铝制成。不过，也可以采用任何适宜的导电金属。按照某些实施例，外壳120是整体的。图示的外壳120为圆柱形，但也可以是其它形状。
从图3能最清楚地看到，电极130的端部132有一个基本平的接触表面132A，它面对着电极壁122的接触表面122A。端部130的顶面132B是从下轴部134A向外向下的斜面或锥面(即径向是倾斜的)。下轴部134A的直径小于端部132的直径。上轴部134B从下轴部134A上端伸出。上轴部134B的直径比下轴部134A的直径小。按照某些实施例，上轴部134B具有约1至1.5英寸的直径。在轴部134A，134B之间从轴134径向朝外伸出一个整体的环状中间凸缘138。在凸缘外周侧面开有一个环形侧向开口槽139A。在上轴部134B开有另一个环形侧向开口槽139B。在轴134的端部有一个接纳螺钉的螺纹孔136，以将总线杆或其它电气接头固定在电极130上。按照某些实施例，电极130由铝制成。但是也可以使用任何适宜的导电金属。
可熔元件180安装在电极130上。该可熔元件180是一个圆柱形管状件或环绕下轴部134A的套筒，下轴部处于可熔元件180的中心孔道内。按照某些实施例，可熔元件180与下轴部134A相接触，且按照某些实施例，可熔元件180基本沿下轴部134A的整个长度与下轴部134A相接触。可熔元件180还与凸缘138的下表面和端部130的顶面132B连接。
可熔元件180用一种可热熔化的导电材料制成。按照某些实施例，可熔元件180用铝合金，锌合金和/或锡合金构成的组中选择的合金制成。但是也可以使用任何适宜的导电金属。
按照某些实施例，是这样来选择可熔元件180，使其熔点高于预定的最大标准工作温度。该最大标准工作温度可以是在可熔元件180正常工作期间(包括应对在装置设计范围内的过电压冲量)，而非产生热失控的运行期间，可熔元件180内预期的最高温度。按照某些实施例，可熔元件180是用熔点在110至160℃，且按照某些实施例是在130至150℃的材料制成。按照某些实施例，可熔元件180的熔点至少比外壳120，电极130和绝缘环150的熔点低20℃，按照某些实施例是至少比外壳120，电极130和绝缘环150的熔点低30℃，且按照某些实施例，是至少比外壳120，电极130和绝缘环150的熔点低40℃。
按照某些实施例，可熔元件180具有约3×107S/m至4×107S/m的电导率，且按照某些实施例，具有约3.5×107S/m至3.8×107S/m的电导率。
可按任意方式将可熔元件180安装在电极130上。按照某些实施例，是把可熔元件180浇注或模制在电极130上。按照某些实施例，是把可熔元件180机械固定在电极130上。
压敏电阻晶片110具有第一和第二相对的基本平的接触表面112。该压敏电阻晶片110被夹在接触面122A和132A之间。如下面将要详细说明的那样，端部132和壁122相对于压敏电阻晶片110被机械加载，以保证表面132A，122A和压敏电阻晶片110相应的相对表面112之间的牢固而均匀结合。
按照某些实施例，压敏电阻晶片110为盘形。但是，压敏电阻晶片110也可以是其它形状。压敏电阻晶片110的厚度和直径与具体应用所需的压敏电阻特性有关。压敏电阻晶片110可包含用压敏电阻材料通过电导涂敷法涂在其任一面的晶片，使暴露的涂层表面用作接触面。涂层可用铜或银等形成。
压敏电阻材料可以是任何方便用作压敏电阻的适宜材料，即随电压有非线性电阻特性的材料。最好是当电压超过规定值时电阻很低。压敏电阻材料可以是掺杂的金属氧化物或碳化硅等。合适的金属氧化物包括氧化锌化合物。
弹簧垫圈140围绕着上轴部134B并与凸缘138的上表面相连接。每个弹簧垫圈140包含一个孔142，用来接纳电极130的上轴部134B。弹簧垫圈140邻接凸缘138的顶面。按照某些实施例，孔142和上轴部134B之间的间隙在0.015至0.035英寸的范围。弹簧垫圈140可用弹性材料作成。按照某些实施例和上面所示，弹簧垫圈140是一个用弹簧钢做的Belleville垫圈。虽然图中只画了一个弹簧垫圈140，但也可以使用一个以上。
在弹簧垫圈140和绝缘环150之间插入平的金属垫圈145，且上轴部134B穿过垫圈145中的孔146。垫圈145用来分散弹簧垫圈140的机械负荷，以防止弹簧垫圈切入绝缘环150内部。
绝缘环150置于垫圈145之上并与之接触。该绝缘环150有一个主体环154，一个从主体环154向上伸展的圆柱形上凸缘或套环156，和一个从主体环154向下伸展的圆柱形下凸缘或套环158。孔152接纳上轴部134B。按照某些实施例，孔152和上轴部134B间的间隙在约0.025至0.065英寸的范围。主体环154和套环156，158可以接合或整体模制，在主体环154的顶角内形成一个向上朝外的开口周边槽159。
绝缘环150最好用高熔化和燃烧温度的介质或电绝缘材料来做。例如，可以采用聚碳酸脂，陶瓷或高温聚合物。按照某些实施例，绝缘环150是用熔点高于可熔元件180的熔点的材料制成。
端盖160置于绝缘环150之上并与之接触。端盖160有一个孔162，用来接纳上轴部134B。按照某些实施例，孔162和上轴部134B间的间隙在0.025至0.065英寸的范围。端盖160可用铝等来做。
卡子170有弹性且为截头环形状。卡子170部分装入槽123内，部分从120内壁径向伸展，以限制端盖160向外的轴向位移。卡子170可用弹簧钢制成。
O圈172置于槽139A内，使它陷在凸缘138和下套环158之间。O圈174置于槽139B内，使它处在轴部134B和上套环156之间。O圈175置于槽159内并陷于绝缘环150和侧壁124之间。安装时O圈172，174，175受压缩而产生偏移，并在各相邻界面间形成密封。出现过电压时，热气体和晶片110的碎片等付产品可能填进或散落在腔体121内。O圈172，174，175可以限制或防止这些付产品沿轴134和绝缘环150间的通路或绝缘环150和侧壁124间的通路逸出过电压保护装置100。
O圈172，174，175可用相同或不同的材料制成。按照某些实施例，O圈172，174，175用合成橡胶等弹性材料制成。按照某些实施例，O圈172，174，175用橡胶制成。O圈172，174，175可用杜邦公司提供的VITONTM等碳氟化合物橡胶制成。还可以采用其它的橡胶，如丁基橡胶等。按照某些实施例，橡胶的硬度在60至100肖氏A级之间。按照某些实施例，O圈172，174，175中每一个的熔点高于可熔元件180的熔点。
当如图3所示组装时，外壳120，晶片110，电极轴部134A，端部132，凸缘138，和下套环158构成一个环形室102，它是外壳室121的一个密封子室。可熔元件180处在室102内。
如上所述并在图3中最清楚地显示的那样，电极端部132和电极壁122相对于压敏电阻晶片110加载，以确保晶片表面112和表面122A，132A之间牢固而均匀的连接。该装置100在这方面的状况可通过考察按本发明组装装置100的方法来了解。O圈172，174，175安装在槽139A，139B，159内。压敏电阻晶片110被安置在腔体121内，使得晶片表面112与接触表面122A相连接。电极130被插入腔体121内，使得接触表面132A与压敏电阻晶片表面112相连接。弹簧垫圈140向下滑过轴部134B并置于凸缘138上方。垫圈145，绝缘环150，和端盖160向下滑过轴部134B并置于弹簧垫圈140上面，利用夹具(未示出)或其它适当的装置强制端盖160向下而使弹簧垫圈140偏移。当端盖160仍然处在夹具负荷之下时，卡子170被压缩并插入槽123内。然后卡子170被释放并返回到其原来直径，从而部分填充槽同时部分从槽123径向向内伸入腔体121内。因此，卡子170和槽123用来保持端盖160上的负荷，以使弹簧垫圈140局部偏移。端盖160对绝缘环150及绝缘环对弹簧垫圈140的载荷再传给端部132。这样，压敏电阻晶片110就被夹持在端部132和电极壁122之间。
如上面所讨论过的，在不存在过电压的情况下，压敏电阻晶片110提供很高的电阻，使得没有电流流过装置100，就好象它在电气上是开路的。当出现过电压(相对装置设计电压而言)状况时，压敏电阻晶片110的电阻急剧下降，让电流流过装置100并造成一个电流分路，从而保护相关电气系统的其它元件。但是，某些条件可能引起装置100中热量的积累。例如，可以具有装置100“寿命终了”模式，这时该压敏电阻晶片被全部或部分消耗尽(也即处在“寿命终了”状态)。另外，该装置100可能经受长时间的过流或者一次或多次时间上很接近的过流过程。在这些场合下，压敏电阻材料可能不足以传导电流，从而在电极130和外壳120间引起放电。类似地，电气通路的截面可能对于电流总量而言不够大，从而造成很大的欧姆损耗并产生热量。这种放电又引起装置100中热量增加。如不加以抑制，这种热量增加可能造成热失控而使该装置温度超过规定的最高温度。举例来说，可以由规范或标准(例如按照UL1449)来设定装置外表面的最高许可温度，以防止邻近元件燃烧。一种避免这类热失控的方法是用保险丝来中断流过装置100的电流，在装置100发生过热之前保险丝就暴裂了。但是，如下面要谈到的，在某些情况下不希望采用这种方法，因为它可能损坏相关电路内其它重要元件，或者在断开过冲保护装置后负荷得不到保护。
按照本发明各实施例，可熔元件180用来防止或阻止这种热失控而不需要截断流过装置100的电流。起初，可熔元件180具有如图1和3所示的第一种结构，除了通过端部132以外，电极130不和外壳120发生电连接。一旦出现热量积累，电极130就被加热。可熔元件180还被直接和/或被电极130加热。在正常运行过程中，可熔元件180内的温度保持低于其熔点，使得可熔元件180保持固体状态。但是，当可熔元件180的温度超过它的熔点时，可熔元件180就熔化(全部或局部)并由于重力的作用而流入不同于第一结构的第二结构中。当该装置100处在垂直方位时，已熔化的可熔元件180以重新构造的可熔元件180A形式(可以是全部或局部熔化)积累在室102的下部，如图4所示。可熔元件180A将电极130搭接或短接到外壳120上。也就是说，提供了一条或几条通过可熔元件180A从电极部134A至外壳端壁122和外壳侧壁124的新的直接电流通路。按照某些实施例，这些电流通路中至少有一些不包括压敏电阻晶片110。
因而，可熔元件180A提供一个电极130和外壳120间的加大的接触表面和加大的电流通路。就是说，包含可熔元件180A的导电路径的截面和体积增加了。结果减少或消除了放电，欧姆热和/或其它诱发发热的现象，从而防止装置100热失控和/或过分过热。因此，该装置100可变成比较低阻的元件，它能安全地维持较高的电流(即该装置不会被严重损坏)。我们会了解，虽然该装置100从此以后可能不能再用作过电压保护装置，但却避免了灾难性的破坏(例如，导致燃烧的温度，爆炸，或从该装置100释放出材料)。
下轴部134A比较大的直径可使该轴部134A的外表面与外壳侧壁124的内表面靠得很近，并在重新生成的可熔元件180A和轴部134A及侧壁之间提供更大的接触面积。按照某些实施例，轴部134A和134B的直径大小是这样选定的，使得在可熔元件180熔化形成新结构的可熔元件180A且装置100继续承受过冲电流或非过冲电流时，能承受过冲电流而不让轴部134A，134B过热。
装置100可在任何方位有效地使用。例如，参考图5，装置100可用在水平方位。当可熔元件180被产生的过热熔化时，它将流到室102的下部，在那儿形成新生成的可熔元件180B(可以是全部或局部熔化的)，它将如上所述把电极130和外壳120搭接起来。O圈172，绝缘环下套环158及绝缘环150与侧壁124一起使室102密封，使得已熔化的可熔元件180不流到室102外面。O圈174提供一个二次密封。
参照图6，这里示意地显示了按照本发明各实施例的一个电路30。该电路30包括电源32，电路断路器34，保护负荷36，接地点40，以及过电压保护装置100。装置100可安装在供电箱等中。电源32可以是AC或DC源并将电力提供给负荷36。负荷36可以是任何合适的装置、系统、设备等(例如，电器，移动通信传输塔等)。装置100与负荷36并联。在正常使用中，装置100象一个开放电路那样运行，使电流流到负荷36上。出现过电压时，压敏电阻晶片的电阻急剧下降，从而防止过流损坏负荷36。电路断路器34可以跳闸。但是，在某些情况下，装置100可能承受超过电压敏电阻晶片110容量的电流，从而造成放电而产生过量的热，如上面所述。可熔元件180将熔化并流动而使该装置短路，如前所述。装置100短路又使电路断路器34跳闸。按这种方式，可以保护负荷36不被出现的电源过冲及过流损坏。此外，装置100可以安全地传导连续的电流。
值得注意的是，装置100在出现过流后将继续使电路30短路。结果电路断路器34不可能复位，由此告知操作人员，该装置100必须修理或更换。另一方面，若装置100的分路被切断而不是短路，则电路断路器34可以被合上，且操作员可能不知道负荷36不再受到仍起作用的过电压保护装置的保护。
参照图7，这里显示本发明另一些实施例的过电压保护装置200。装置200和装置100相当，只不过在室202内有一个衬套290。该衬套290是一个导电导热材料的管子或套筒。按照某些实施例，衬套290是由熔点比外壳220材料熔点高的材料做成。根据某些实施例，衬套290由钢制成，外壳220由铝制成。当出现过流时，由电极230和/或压敏电阻晶片210来的某些或全部火花被引向衬套290而不是外壳220本身(特别是侧壁224)。这样衬套290将防止或推迟外壳220的局部熔化，否则可能击穿外壳220或者使外壳220失效。衬套290还可以从结构上加强侧壁224，以便在侧壁224被热量软化时提供额外的刚度。因此，衬套290为可熔元件280的熔化和流动提供了额外的时间，并在电极230和外壳220之间提供一个加大的电流通路。
参照图8，这是按照本发明其它实施例的可熔元件组件381的分解透视图。该可熔元件组件381可用来代替可熔元件180。可熔元件组件381包括一对可熔元件子零件382和一个卡子384。可以把该子零件382放在电极下部134A附近，并利用卡子384作固位装置固定到位。子零件382可用上面用于可熔元件180的材料制成。按照某些实施例，可以在子零件382的外表面做出一些圆周方向的凹口以接纳卡子384，使该卡子部分或全部凹进子零件382内。
参照图9，它显示按照本发明其它实施例的可熔元件组件481。该可熔元件组件481用来代替可熔元件180。它包括一对可熔元件子零件482。每一个子零件482有一个一体化的固位零件，其形状为阳突起484A和阴突起484B。可把子零件482放在电极下部134A附近，并通过连接相应的突起484A和孔484B而固定到位。突起484A和孔484B的相对尺寸和形状应提供紧配合。子零件482可用上面用于可熔元件180的材料制成。
按照本发明的过电压保护装置(如装置100，200)还可提供一些除上述以外的额外优点。该装置可以做成具有比较紧凑的形状因素。该装置可以改装以代替不具有这里所述的可熔元件的相似类型过电压保护装置。特别是，本装置可以具有和此类以前的装置相同的长度尺寸。
按照某些实施例，本发明的过电压保护装置(如装置100，200)作成使当可熔元件熔化而让过电压保护装置短路时，该过电压保护装置的电导率至少与和该装置连接的输入输出电缆的电导率一样大。
按照某些实施例，本发明的过电压保护装置(如装置100，200)作成可维持1000安培电流至少7小时而不发生外壳(如外壳120或220)的破坏或使外表面的温度达到170℃以上。
虽然按上所述可熔元件或组件是安装成让它们围绕各电极(如电极130)并与之相接触，但按照本发明其它一些实施例，可熔元件也可代之以或额外地安装在该装置内其它地方。例如，可以把可熔元件(例如，可熔材料套筒或衬套)安装在侧壁124的内表面和/或凸缘138的下面。类似地，按照本发明某些实施例，可熔元件可以有不同的形状。例如，按照某些实施例，可熔元件不是管状且/或相对于室，电极和/或外壳是不对称的。
按照某些实施例，每个接触表面(如接触表面122A，132A)和压敏电阻晶片表面(如晶片表面112)之间的接合面积至少为0.5平方英寸。
按照某些实施例，外壳120和电极130的组合热质量远大于压敏电阻晶片110的热质量。所用的“热质量”一词代表目标物(如压敏电阻晶片110)材料的比热与目标物材料质量的乘积。也即热质量是1克目标物材料升高1摄氏度所需的能量乘以目标物材料的质量。按照某些实施例，电极端部132和电极壁122中每一个的热质量远大于压敏电阻晶片110的热质量。按照某些实施例，电极端部132和电极壁122中每一个的热质量至少是压敏电阻晶片110热质量的两倍，且按照某些实施例至少是10倍。
本专业技术人员看了上述说明后不难了解本发明的过电压保护装置的几种形成方法。例如，外壳120，电极130，和端盖160可以用机加工、铸造、或冲压方法形成。这些元件中的每一个可以单独形成，或用焊接等方法将多个元件固定连接而形成。
可以将多个压敏电阻晶片(未示出)堆叠并夹在电极端部和中心壁之间。最上面和最下面的压敏电阻晶片的外表面将用作晶片的接触表面。但是，我们建议通过改进单个压敏电阻晶片的厚度，而不是将许多压敏电阻晶片堆叠起来来改变压敏电阻晶片的特性。
如上所述，弹簧垫圈140是一个Belleville垫圈。Belleville垫圈可用来加上很高的负荷而不需要很大的轴向空间。但是，也可以额外使用其它类型的偏移装置或者替代Belleville垫圈。可选的合适偏移装置包括一个或几个螺旋弹簧，波形垫圈或螺旋垫圈。
本专业技术人员可以进行许多变更和修改而仍然保留本发明的优点，同时又不偏离本发明的精神和范围。因此必须指出，上面列举的实施例只是作为例子，而不应把它看作是对由下面的权利要求书界定的本发明的限制。所以，下面的权利要求书不仅包括上面列举的各元件的组合，而且包括所有的等效元件，它们按基本相同的方法完成同样的功能而得到基本相同的结果。因此，应把权利要求书理解为包括上面具体列举的示例，和概念上等效的，以及包含本发明基本思想的那些情况。

Claims (41)

1.一种过电压保护装置，包括：
a)第一和第二导电电极元件；
b)由压敏电阻材料形成的压敏电阻元件，它与第一和第二电极元件的每一个电气上相连接；
c)导电可熔元件，该可熔元件可因该装置中产生的电诱发热量而熔化，并通过该可熔元件在第一和第二电极元件之间形成电流通路，以抑止至少某些电诱发的装置发热。
2.如权利要求1的装置，其中由可熔元件形成的电流通路从第一电极元件一直伸至第二电极元件，且可熔元件与第一和第二电极元件中每一个相连接。
3.如权利要求1的装置，其中可熔元件由金属制成。
4.如权利要求3的装置，其中可熔元件由选自下面一组的金属制成：铝合金、锌合金和/或锡合金。
5.如权利要求1的装置，其中可熔元件的熔点范围在110℃至160℃。
6.如权利要求1的装置，其中第一电极元件包括外壳，由该外壳界定一个室，且可熔元件和第二电极元件的至少一部分处于该室内。
7.如权利要求6的装置，其中可熔元件安装在处在该室内的那部分第二电极元件上。
8.如权利要求7的装置，其中可熔元件浇注在处在该室内的那部分第二电极元件上。
9.如权利要求7的装置，其中可熔元件包括第一和第二子零件，它们利用固位装置相互固定在处在室内的那部分第二电极元件上。
10.如权利要求7的装置，其中可熔元件包括第一和第二子零件，它们利用至少一个整体固位零件相互固定在处在室内的那部分第二电极元件上。
11.如权利要求6的装置，包括置于第一和第二电极元件之间室内的导电加强元件，它用熔点高于外壳材料熔点的材料制成，且安置成能接收从第二电极元件产生的电火花。
12.如权利要求6的装置，其中室是密封的。
13.如权利要求6的装置，包括处于室内的电绝缘元件，它夹在第一和第二电极元件之间。
14.如权利要求6的装置，其中外壳界定一个开口，且第二电极元件包含位于室内的端部和轴，该装置还包括：
位于开口内的金属端盖，金属端盖具有孔，所述轴穿过该孔；及
夹在第二电极元件和端盖之间的电绝缘环，所述绝缘环具有环孔，轴穿过所述环孔。
15.如权利要求6的装置，其中：
第二电极元件包括处于室内的端部，轴，凸缘，凸缘从轴伸出并与端部隔开；
可熔元件安装在端部和凸缘间的轴上；及
该装置还包括安装在与端部相对的凸缘上的弹簧垫圈，以将负荷加到该端部上。
16.如权利要求1的装置，其中压敏电阻元件夹在第一和第二电极元件之间。
17.如权利要求16的装置，其中压敏电阻元件是具有相对晶片表面的压敏电阻晶片，第一和第二电极元件中的每一个具有接触表面，接触表面与相应的一个晶片表面相接触，且压靠该表面。
18.如权利要求17的装置，其中第一和第二电极元件中至少一个是压靠在它接触的晶片表面上。
19.如权利要求1的装置，其中压敏电阻材料从包括金属氧化物的化合物及碳化硅的组中选择。
20.一种过电压保护装置，包括：
a)由压敏电阻材料形成的压敏电阻元件，该装置在出现过电压时使电流流过该压敏电阻元件；及
b)导电可熔元件，该可熔元件因装置中产生的电诱发热量而熔化并在装置中形成新的电流通路，以抑止至少某些电诱发的装置发热。
21.如权利要求20的装置，其中可熔元件因装置中的热而熔化，并在装置中形成新的电流通路，以防止该装置热至超过规定的温度。
22.如权利要求20的装置，其中新的电流通路使电流流出该压敏电阻元件。
23.一种提供过电压保护的方法，包括：
提供过电压保护装置，该过电压保护装置包括：
第一和第二导电电极元件；
由压敏电阻材料形成的压敏电阻元件，它与第一和第二导电电极元件中每一个电气相连；和
导电可熔元件；及
由于装置中产生的电诱发热量而使该可熔元件熔化，以通过该可熔元件在第一和第二导电电极元件之间形成电流通路。
24.如权利要求1的装置，其中所述装置适合于由所述装置内的欧姆损耗产生热量，所述可熔元件响应由欧姆损耗产生的所述热量而熔化，并形成新电流通路。
25.如权利要求1的装置，其中当所述压敏电阻元件处于寿命终了模式下时，所述压敏电阻元件适合于在所述装置中产生热量，当所述压敏电阻元件处于寿命终了模式下时，所述可熔元件响应在所述装置中产生的热量而熔化，并形成新电流通路，以防止由于热失控引起的装置的灾难性的破坏。
26.如权利要求1的装置，其中当所述装置可能经受长时间的过流时，所述装置适合于在所述装置中产生热量，并且所述可熔元件响应所述热量而熔化，并形成新电流通路。
27.如权利要求1的装置，其中所述可熔元件具有高于预定的最大标准工作温度的熔点，该预定最大标准工作温度是在正常工作期间而非产生热失控的运行期间可熔元件内预期的最高温度。
28.如权利要求1的装置，其中该装置包括一个外壳，且适合于维持1000安培电流至少7小时而不发生外壳的破坏或使外壳外表面的温度达到170℃以上。
29.如权利要求20的装置，其中所述装置适合于由所述装置内的欧姆损耗产生热量，所述可熔元件响应由欧姆损耗产生的热量而熔化，并形成新电流通路。
30.如权利要求20的装置，其中当所述装置可能经受长时间的过流时，所述装置适合于在所述装置中产生所述热量，并且所述可熔元件响应所述热量而熔化，并形成新电流通路。
31.如权利要求23的方法，其中由可熔元件形成的电流通路从第一电极元件一直伸至第二电极元件，且可熔元件与第一和第二电极元件中每一个相连接。
32.如权利要求23的方法，包括：
响应过电压引导电流穿过压敏电阻元件；以及
响应装置内的电诱发热量，熔化可熔元件以在装置内形成新电流通路，抑制装置的至少一些电诱热量。
33.如权利要求23的方法，包括：
由所述装置内的欧姆损耗在所述装置内产生热量；以及
响应由欧姆损耗产生的所述热量，熔化可熔元件以形成新电流通路。
34.如权利要求23的方法，包括：
引导电流穿过压敏电阻元件而压敏电阻元件处于寿命终了模式，从而在所述装置中产生热量；以及
所述可熔元件响应所述热量而熔化，从而形成新电流通路。
35.如权利要求23的方法，所述方法包括：
通过使所述装置经受长时间的过流以产生所述热量，从而在所述装置中产生热量；以及
所述可熔元件响应所述热量而熔化，从而形成新电流通路。
36.如权利要求23的方法，其中所述可熔元件具有高于预定的最大标准工作温度的熔点，该预定最大标准工作温度是在正常工作期间而非产生热失控的运行期间可熔元件内预期的最高温度。
37.如权利要求23的方法，其中该装置包括一个外壳，且适合于维持1000安培电流至少7小时而不发生外壳的破坏或使外壳外表面的温度达到170℃以上。
38.一种过电压保护装置，包括：
a)第一和第二导电电极元件；
b)由压敏电阻材料形成的压敏电阻元件，它与第一和第二电极元件的每一个电气上相连接；
c)导电可熔元件，它可因该装置产生中的热量而熔化，并通过该可熔元件在第一和第二电极之间形成新电流通路，以抑制装置的至少一些电诱热量；
当所述压敏电阻元件处于寿命终了模式下且经受长时间的过流时，所述装置适合于由所述装置内的欧姆损耗产生热量，
当所述压敏电阻元件处于寿命终了模式下且经受长时间的过流时，所述可熔元件响应由所述装置内的欧姆损耗产生的热量而熔化，并形成新电流通路，以防止由于热失控引起的装置的灾难性的破坏；
其中所述可熔元件具有高于预定的最大标准工作温度的熔点，该预定最大标准工作温度是在正常工作期间而非产生热失控的运行期间可熔元件内预期的最高温度。
39.如权利要求38的装置，其中该装置包括一个外壳，且适合于维持1000安培电流至少7小时而不发生外壳的破坏或使外壳外表面的温度达到170℃以上。
40.一种提供过电压保护的方法，包括：
提供过电压保护装置，该过电压保护装置包括：
第一和第二导电电极元件；
由压敏电阻材料形成的压敏电阻元件，它与第一和第二导电电极元件中每一个电气相连；和
导电可熔元件，所述可熔元件具有高于预定的最大标准工作温度的熔点，该预定最大标准工作温度是在正常工作期间而非产生热失控的运行期间可熔元件内预期的最高温度；
引导长时间过流穿过压敏电阻元件而压敏电阻元件处于寿命终了模式下，使得在所述装置内产生电诱发热量；以及
响应所述热量，熔化可熔元件以在第一电极元件、第二电极元件之间穿过可熔元件形成新电流通路，抑止至少某些电诱发的装置发热。
41.如权利要求40的方法，其中该装置包括一个外壳，且适合于维持1000安培电流至少7小时而不发生外壳的破坏或使外壳外表面的温度达到170℃以上。
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