KR100391961B1 - Ptc서미스터및하나이상의ptc서미스터를갖는전류리미터장치 - Google Patents

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Abstract

PTC 서미스터는 가역 단락회로 전류리미터, 특히 전기밸브 및/또는 커패시터와의 직렬접속에 이용된다. 전기적으로 절연된, 열적으로 전도성인 절연체 또는 세라믹층 (20) 은 전기적으로 그리고 양호한 열전도성으로 제 1 주표면을 매개로 금속냉각요소 (25) 와 접촉한다. 상기 제 1 주표면의 맞은 편인 상기 세라믹층 (20) 의 제 2 주표면은 10 μm 내지 100 μm 범위의 두께를 가지는 전기적절연 열전도층 (21) 으로 덮여 있다. 상기 PTC 서미스터 (5) 의 저항몸체의 구불구불한 트랙 (16) 이 상기 열전도층 (21) 과 전기적절연, 바람직하게는 열적으로 전도성인, 가요성 고온안정 중합체막 (22) 사이에 가압된다. 압력을 제공하기 위해, 상기 세라믹층 (20) 의 상기 제 2 주표면에 직교하는 힘 (F) 이 작용하도록된 압력보상 쿠션 (23) 이 제공된다. 상기 압력보상 쿠션 (23) 은 바람직하게는 150℃ 이상의 비등온도를 갖는 유전성 또는 전기전도성 유체 (24) 로 충전된다. 상기 저항트랙 (16) 은 또한 충전 폴리머 매트릭스내에 매립될 수도 있으며, 일치하는 저항트랙이 기하학적으로 세라믹층상에 마주하도록 하는것이 가능하다.

Description

PTC 서미스터 및 하나 이상의 PTC 서미스터를 갖는 전류리미터 장치{PTC thermistor and a current limiter device having at least one PTC thermistor}
본 발명은 PTC 서미스터와 하나 이상의 PTC 서미스터를 갖는 전류리미터 장치에 관한 것이다.
본 발명은 독일연방공화국 특허공보 제 39 42 266 C1 호에 공지된 바와 같은 종래기술을 참조로 한다. 상기 공보에 있어, PTC 가열장치에 의해 발생된 열은, 전극을 경유하여 절연막에 의해 상기 전극으로부터 전기적으로 절연된 중공형상 알루미늄지지몸체에 방출된다. 상기 형상지지몸체에 정착된 판 스프링은 상대적으로 얇은 상부벽을 가압한다.
이는 제한된 전기절연 요구물과 함께, FTC 가열장치의 저-전압 적용의 경우이다.
또한, 본 발명은 독일연방공화국 특허공보 제 27 15 878 A호에 공지된 바와같은 종래기술을 참조로 한다. 이 경우에 있어 그의 전극과 더불어 양성온도 저항계수를 갖는 재료로 제조된 저항몸체는, 30 mol% 실리콘러버와 70 mol% 산화마그네슘의 덩어리에 매립되고 그곳에서 생산된 열을 한 쌍의 컬링집게의 알루미늄 가열튜브에 전달한다. 이 가열장치는 149℃ 이하 온도의 연속사용에 적합하다.
또한, 본 발명은 독일연방공화국 특허공보 제 1 204 302 B 호에 공지된 바와 같은 종래기술을 참조로 한다. 거기에 상술된 브레이킹 회로용의 스위칭 장치에 있어서는, 제 1 회로내에 두 직렬접속 서미스터가 배치되고, 전기전도적으로 병렬로 접속된 제 2 회로내에 두 직렬접속 배리스터가 배치되며, 역시 병렬로 접속된 제 3 회로내에 스위치가 배치된다. 이것은 전류 정류회로이며, 산화바륨과 티탄산염바륨을 기초로 한 서미스터내에 있으며, 연속적인 작동중에 오프-로드된 연속전류의 극히 적은 암페어를 견디어낼 수 있다.
미합중국 특허 제 4, 583, 146 호는 또한, 아크없는칭 (quenching) 을 확실히 하기위해, 병렬 브랜치내의 배리스터와 PTC 서미스터를 기계 브레이커 접점에 접속하는 것을 공지하고 있다. 상기 PTC 서미스터는 단부에 얇은 배리스터층을 갖는다. 기계 스위치가 오픈될때, 스위치로부터 상기 PTC 서미스터와 상기 배리스터로 전류가 통한다.
브레이커접점이 없는 회로에 있어서는, 그러한 전류 리미터회로의 동적 응답이 불만족스럽다.
스위스연방 특허 제 581 377 호는 고정-값 저항기와 PTC 서미스터의 접속 및 열적으로 또는 자기적으로 트립가능한 제 1 스위치, 상기 병렬회로와 직렬로 접속되어 있는 제 2 전압 빌드-업 스위치와 PTC 서미스터의 병렬접속을 공지하고 있다. 이 경우에 상기 PTC 서미스터는 단락회로의 경우에만 부하가 걸리고, 그런 경우에 저항을 증가시키고 본질적으로 상기 제 2 스위치의 부하없는 스위칭을 허용한다. 일 PTC 서미스터 대신에, 다른것 이후에 응답하는 다수의 상이한 PTC 서미스터가 병렬로 접속될 수도 있다.
제 5 회 미국 전기전자 통신학회 세미-섬 심포지움 (1989) 에서 발표된 P Bujard 와 J.P. Ansermet 의 논문, " 에폭시로 충전된 열전도 질소화 알루미늄 " 의 126 - 130 페이지에는 PTC 서미스터의 생산에 적합한 것으로서 폴리머 매트릭스로 충전된 질소화 알루미늄 (AIN) 의 경우에 62 체적% 의 충전비율을 이루는 방법을 공지하고 있다.
직류 중간회로를 갖는 전류컨버터의 경우에 있어서, 단락회로의 경우 중간회로 커패시터의 저-임피던스 방출의 결과로 인해 중간회로에서 대단히 큰 단락 회로 전류가 발생하는 것이 가능하며, 보호조치와 큰 힘을 가진 응력구조부분이 결여한다면 그 전류는 작용부품을 파괴시킬 수 있으며 변형시킬 수 있다.
독일연방공화국 특허공보 제 3 710 799 A1 호는 인버터 회로의 경우에 있어 커패시터와 직렬접속하여 설치한 퓨즈를 공지하고 있는데, 만약 직류접속 커패시터가 단락회로라면 그 퓨즈는 상기 회로를 녹이고 파괴시켜버릴 것이다. 퓨즈의 용융에 응답하는 검파기가 지연방식으로 이러한 단락회로를 검파하기 이전 상기 인버터 회로의 선이 단락회로인 때로부터, 적당하다면 수 백 ms의 타임피리어드 (time period) 가 경과한다. 직류접속 커패시터의 내부 단락회로만이 검파된다. 그로 인해 커패시터의 내부 단락회로의 경우에 관련기구와 회로가 보호된다. 퓨즈 대신에, 전위차로써 고장을 검파하는 차동 증폭기가, 직렬접속된 직류커패시터의 그룹을 위한 고장 검파기로서 제공될 수도 있다.
증가된 진동 그리고 충격응력에 노출된 견인 전류컨버터를 위해, 재래식 퓨즈는 그의 낮은 신뢰도로 인해 사용이 불가능하며, 또는 철도 조작원에 바람직하지 않다. 퓨즈는 스위치가능한 반도체를 갖는 전류컨버터를 간섭하는, 높은 백-엠프 (back-emfs) 를 구성하는, 많은 배선을 요하는 큰 부품이다. 100 μs 보다 작은 요망응답은, 설령 불가능하지 않다 하더라도, 얻기가 어렵다.
중간-회로 인덕턴스내에서의 상당한 감축 또는 중간-회로의 제거가 전류컨버터를 위해 바람직하다. 하지만, 보호조처의 결여에 있어 단락회로 전류강도는, 전류컨버터를 사용하는 견인시스템에 있어 현재 기계적으로 제어될 수 있는 1 MA 이하의 값까지 단락회로의 경우에 증가한다.
관련 종래기술을 위해 스위스연방 특허 제 581 377 PS 호를 참조하면, 이는 그 전극에서 냉각된 일 세라믹 PTC 서미스터를 갖는 PTC 서미스터 부품을 공지하고 있다. 에폭시 수지인 그의 외면 절연보호층은 열등한 열전도체이다.
미합중국 특허 제 3, 996, 447 호는 PTC 서미스터를 갖는 가열장치에 있어서 그 측부표면이 아닌, 전극과 가열싱크사이에 적용된 열-전이 화합물을 공지하고 있다.
독일연방공화국 실용신안 제 91 00 865.4 G 호는 두개 이상의 상호 분리된 일치하는 저항트랙을 갖는 액체-냉각된, 저-유도 슬롯된 고-부하 임피던스 요소를공지하고 있는데, 상기 저항트랙은 전류가 나란하지 않은 방향으로 흐를 수 있도록 함께 전기적으로 접속된다. 상기 저항트랙은 한편으로는 지지몸체에 접합되고, 다른 한편으로는 생산된 열을 액체 가열싱크로 방산하는 전기적절연, 열적전도성인 디스크에 접합된다.
독일연방공화국 특허공고공보 제 1, 253, 332 호는 중전류 스위치-오프용의 스위칭 회로를 공지하고 있는데, 거기에는 정규 도체가 PTC 서미스터에 열적으로 결합되어 있고 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. 또한 이 경우에, 상기 PTC 서미스터는 어떠한 연속적인 전류도 운반하지 않는다.
독일연방공화국 특허공개공보 제 41 05 786 호는 박막기술 또는 스크린 인쇄기술을 사용하여 전기적으로 절연성이고 우수한 열전도체인 세라믹 가열싱크상에 부착되고 평면에 반사대칭으로 배치된 두개의 저항기요소를 포함하는 구불구불한 정규 저항기를 공지하고 있다. 이러한 임피던스요소의 상대적으로 높은 유도는 바람직하지 않다.
독일연방공화국 특허공개공보 제 33 38 709 호는 액체-냉각된, 저-유도 임피던스요소를 공지하고 있는데, 거기에는 평면상의 몰드세라믹부내의 홈내에 저항기와이어가 뻗어 있으며, 그것은 플로우채널을 갖는 가열싱크상에 가압된다. 크리프 진폭을 줄이기 위해, 상기 저항기 와이어와 상기 몰드세라믹부는 글레이즈로 코팅된다.
그러므로, 본 발명의 일 목적은 PTC 서미스터 그리고 100 A 이상의 연속전류를 운반할 수 있고, 단락회로 전류를 보호되는 회로 또는 전기시스템의 수동부품의파괴한도 이하인 값으로 10 μs 이내에 제한할 수 있는 최초에 기술한 방식의 개선된 전류 리미터장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 이점은, 이들 PTC 서미스터를 사용하여 작동된 보호장치가 가역적으로 작동하고 아크없이 응답하며 저-유도 형태로 그리고 공간절약 방식으로 사용될 수 있다는 데에 있다. 상기 보호장치는 저-손실, 진동-저항적이며, 현재의 냉각회로내에 일체로 될 수 있다. 즉, 상기 보호장치는 자치적으로 응답하고 가요적용을 허락한다. 상기 보호시스템의 신뢰도는 부가적인 전자모듈과 부품에 의해 유해하게 영향을 받지는 않는다.
만약 상기 전류 리미터장치가 전류 컨버터밸브와 직렬접속으로 사용된다면, 따라서 리미팅 전류상승용 인덕터가 회피될 수 있다.
본 발명의 이로운 형상에 따르면, 단락회로 전류는 보호되는 회로 또는 전기시스템의 능동부품의 파괴한도 이하의 값으로 10 μs 이내에 제한될 수 있다. 이 경우에 상기 전류 리미터장치의 능동부의 냉각은 필수적이다. 만약 액체 냉각시스템이 이미 현존한다면, 이런 냉각이 그의 냉각회로에 통합될 수 있을 것이다.
PTC 서미스터의 능동부의 치수를 합치시킴으로써, 보호회로의 단락회로 응답이 다양한 방식의 전류 컨버터의 상이한 전기적 특징에 대해 가요적으로 합치될 수 있다.
본 발명에 따른 PTC 서미스터로, 전류 컨버터회로 또는 반도체내 단락회로로부터, 전류 컨버터내에 내부적으로 저장된, 커패시터 뱅크의 에너지를 분리하는 것이 가능하다. 이 경우에, 전류 리미터장치는 직류 중간회로나 페이즈 모듈 (phasemodules) 에 배치될 수 있다. 적당하다면, 병렬로 접속된 40 이하의 커패시터를 갖는 중간회로 커패시터 배터리의 모듈적인 성질때문에, 단락회로 보호가 병렬로 접속된 하나 또는 그 이상의 커패시터상에 선택적으로 배치될 수 있다.
본 발명에 대한 좀더 완전한 이해와 그에 수반되는 여러가지 이점들이, 수반된 도면과 관련한 하기의 상세한 설명을 통해 얻어질 수 있을 것이다.
이하, 몇몇 도면을 통하여 동일하거나 대응하는 부분을 가리키는 참조숫자를 참조로하여 설명하자면, 제 1 도는 직류 중간회로 (2) 를 매개로 직류사이드상의 구동전류 컨버터 또는 제 2 전류컨버터 (8) 에 전기적으로 접속된 선전류 컨버터 또는 제 1 전류컨버터 (1) 를 도시하고 있다.
상기 직류 중간회로 (2) 는, 양극 또는 양극플레이트 (P) 와 음극 또는 음극플레이트 (N) 사이에 직렬로 접속된 필터링 인덕터 (LF) 와 필터링 커패시터(CF) 를 포함하는 중간회로 하모닉스를 댐핑하기 위한 필터를 갖는다. 상기 직류 중간회로는 또한 중간회로 커패시터 또는 커패시터 (C1, C2, C3) 를 갖는데, 상기 커패시터 (C2, C3) 는 각각 가역 단락회로 전류리미터 (3) 에 직렬로 접속되어 있다. 상기 가역 단락회로 전류리미터 (3)는 병렬로 접속된, 단락회로경로의 역-바이어스 방향으로 접속된 다이오드 (4), PTC 서미스터 (5), 서지전압 보호기 또는 배리스터를 포함하는 분류기 브랜치 (shunt resistor branch) (6) 를 갖는다. 상기 PTC 서미스터 (5) 와 상기 분류기 브랜치 (6) 는 상기 단락회로 전류리미터 (3) 내에 항상 존재하며, 게다가 상기 다이오드 (4) 가 병렬로 접속될 수도 있다. 상기 두 전류컨버터 (1) (8)는, 전류컨버터 (8)를 위하여 제1 도에 도시된 교류전압 단자(10) 에서 분기될 수 있는 교류 페이즈용 주밸브로서 2 GTO 사이리스터 (T1, T2) 를 갖는 유일한 두 주밸브 브랜치, 두접점의 전류 컨버터로서 구성된다. 여섯개로 유사하게 구성된 주밸브 브랜치는 대응하여 3상 교류를 위해 요구된다. 사이리스터 회로 (9) 는 각 주밸브 (T1, T2) 가 병렬로 제공되며, 명확함을 위하여 그 하나만이 상기 GTO 사이리스터 (T1) 와 병렬로 나타낸다. 상기 사이리스터 (9) 가 또한 나타낸 것과는 다른 방식으로 접속되어 왔던것은 명백하다. 상기 두 주밸브 (T1, T2) 의 전류경로내에서 상기 가역 단락회로 전류리미터 (3) 를 매개로 상기 직류 중간회로 (2) 의 양극 (P) 에 인덕터 또는 di/dt- 리미터 인덕터 (L) 가 접속된다. 직렬로 오옴 저항기를 갖는 다이오드가 브랜치에서 상기 di/dt- 리미터 인덕터 (L) 와 병렬로 접속된다.
상기 di/dt- 리미터 인덕터 (L) 는 본 발명에 따른 단락회로 전류리미터 (3) 를 사용하여 작아지거나 또는 제거될 수도 있다.
만약에 가역 단락회로 전류리미터 (3) 가 상기 직류 중간회로 (2) 내에 제공된다면, 상기 제 2 전류컨버터 (8) 내의 상기 가역 단락회로 전류리미터 (3) 는 제거될 수 있다. 더군다나, 만약에 가역 단락회로 전류리미터 (3)가 상기 제 2 전류컨버터 (8) 내에 제공된다면, 상기 직류 중간회로 (2) 내의 상기 가역 단락회로 전류리미터 (3) 는 제거될 수 있다.
제 2 실시예로서 제 2 도는, 제 1 도에 유사하지만 제 1 및 제 2 의 두접점 전류컨버터 (1) (8) 대신에 제 1 및 제 2 의 세접점 전류컨버터 (11) (12) 를 갖는 전류컨버터 회로를 도시하고 있다. 직류 중간회로 (2')내에서 가역 단락회로 전류리미터 (3) 는 병렬로 접속된 다수의 커패시터를 갖는 커패시터 뱅크와 각각 퍼텐셜하프 (potential half) 때문에 직렬로 접속된다. 이러한 회로의 이점은, 가역 단락회로 전류리미터 (3) (3') 가 거의 필요치 않기 때문에 보호회로의 원가절감에 있고, 또는 가역 단락회로 전류리미터 (3) (3') 의 방식이 거의 전류컨버터의 범위에 요구되지 않기 때문에 절감된 시스템 다각화에 있다.
상기 세접점 전류컨버터 (12) 의 경우에 있어서 상기 직류 중간회로 (2')의 양극 (P) 또는 음극 (N) 에 전기적으로 접속된 di/dt- 리미터 인덕터 (L1, L2)는, 각 주밸브 브랜치의 주밸브와 직렬로 접속된다. 이들 인덕터는 매우 낮은 인덕턴스를 가질 수도 또는 남기지 않을 수도 있다. 한편으로는 중성경로의 중성도체 (13') 에, 다른 한편으로는 상기 직류 중간회로 (2') 의 중성도체 (13) 에 전기적으로 접속된 가역 단락회로 전류리미터 (3') (파선으로 나타냄) 가, 상기 전류컨버터 (12) 의 이러한 영점 또는 중성경로에서 상기 두 가역 단락회로 전류리미터 (3) 대신에 제공될 수도 있다. 이것은 많은 경우의 기능부전을 위하여 충분한 보호를 산출한다. 이러한 예가 되는 실시예의 경우에 있어서, 만약에 상기 직류 중간회로 (2') 내의 가역 단락회로 전류리미터 (3) 가 요망되는 보호를 확실히 보장한다면, 상기 제 2 전류컨버터 (12) 내의 상기 가역 단락회로 전류리미터 (3) (3') 도 또한 제거될 수 있다.
중요한 것은, 가역 단락회로 전류리미터 (3) (3') 가 하나 이상의 중간회로 커패시터 (C2, C3) 의 단락회로 전류경로내에 제공되는 것이다. 이런 결과로써, 상기 커패시터 (C2, C3) 의 가능 단락회로 방전전류는 적어도 수동부품 및 도체레일의 파괴한도, 이상적으로는 능동부품의 파괴한도 아래의 값으로 제한된다.
이를 위해 요구되는 보호회로 응답시간은 10 μs 이하이다.
제 1 도 및 제 2 도에 따른 상기 보호회로는, 전류컨버터 (1) (8) (11) (12) 의 부분 단락회로의 경우와 완전 단락회로의 경우의 양자에 있어 확실한 보호를 보장한다.
다이오드 (4) 가 PTC 서미스터와 병렬로 접속되기 때문에, 가역 단락회로 전류리미터 (3) (3') 의 열적 연속전류 부하가 감소될 수 있다. 정격조건하의 작동중에, 상기 다이오드 (4) 는 중간회로 펄스주파수의 반주기를 위하여 순방향 바이어스로 되며 따라서 제곱평균 전류를 절감시킨다. 단락회로의 경우에는, 상기 다이오드 (4) 가 역방향 바이어스로 되며 상기 가역 단락회로 전류리미터 (3) (3') 의 보호기능이 전적으로 효과적이다.
만약에 하나 또는 그 이상의 중간회로 커패시터 (C1) 가 가역 단락회로 전류리미터 (3) 없이 남게되는 반면에 나머지 중간회로 커패시터 (C2, C3) 는 하나를 갖는다면, 따라서 스위치-오프 서지전압에 대하여 보호가 이루어진다. 하지만, 상기 직류 중간회로내의 전 전류의 단락회로 전류진폭은 비례적으로 증가한다.
제 3 도는 단락회로 전류리미터 (3) 를 도시한 것인데 거기에는 분류기 브랜치 (6)가, 직렬로 접속된 배리스터 (7), 오옴 저항기 (14), 인덕터 (30)를 갖고서 제 1 또는 주 전류경로내에서 PTC 서미스터 (5) 와 병렬로 접속되어 있다.
고장 또는 단락회로의 경우에, 상기 PTC 서미스터 (5) 가 그의 응답온도 이상까지 가열하여, 그의 저항이 크게 커져 전류를 제한한다. 상기 PTC 서미스터(5)의 열적 파괴는 상기 분류기 브랜치 (6) 에 대해 단락회로 전류를 스위칭함으로써 회피된다. 이러한 경우 단락회로 전류는, 상기 직류 중간회로 (2)에 해가되지 않는 값으로 제한된다. 단락회로 전류리미터 (3) 와 직렬로 접속된 커패시터 (C2, C3) 의 방전, 그리고 공급 에너지원 (나타내지 않음) 으로부터 제 1 전류컨버터 (1) 를 단로시킨 이후에, 상기 PTC 서미스터 (5) 는 냉각하여 다시금 작동에 대비하게 된다.
상기 PTC 서미스터 (5) 는 그의 냉저항의 대략 10 배, 바람직하게는 100배 이하의 저항점프를 갖는 금속을 기초로한 논블로킹 (nonblocking) PTC 서미스터일 수도 있으며, 또는 냉저항의 100배, 바람직하게는 104 이상의 저항점프를 갖는 충전된 중합체를 기초로 한 블로킹 PTC 서미스터일 수도 있다.
최고허용 연속작동 전압이 바람직하게는 상기 직류 중간회로 (2) 의 작동전압 이하인, 바람직하게는 금속산화물을 기초로 한 배리스터 (7) 의 사용은 제 3 도에 따른 회로를 위하여 필수적이다. 상기 배리스터 (7) 와 직려로 접속된 상기 오옴 저항기 (14) 는 회로의 전류리미팅 응답을 개량한다.
작동전압에서 블로킹 또는 논블로킹인 PTC 서미스터 (15) 는 제 3 도에 따른 상기 오옴 저항기 (14) 대신에 제 4 도에 따라 사용될 수도 있다. 이는 상기 단락회로 전류리미터 (3) 의 개량된 전류리미팅 응답을 가져온다. 만약에 양 PTC 서미스터 (5) (15) 가 냉저항값 (블로킹 PTC 서미스터 (5)) 의 100 배, 바람직하게는 104 배 이상인 저항값의 고저항점프를 지닌 저항/온도 특징을 갖는다면, 따라서 전 회로의 전류-블로킹 응답이 이루어질 수 있다. 그로 인해, 비교적 오랜 시기를 위하여 전압이 상기 단락회로 전류리미터 (3) 에 적용되는 전기동력 분배시스템 또는 네트워크내에서 보호소자로서 상기 단락회로 전류리미터 (3) 를 사용하는 것이 가능하다.
제 5 도에 따른 단락회로 전류리미터 (3) 는, 논블로킹 PTC 서미스터 (5) 가 주 전류경로내에서 블로킹 PTC 서미스터 (5') 와 직렬로 접속되어 있다는 점에서 제 4 도의 단락회로 전류리미터와 다르다. 이 경우에 상기 블로킹 PTC 서미스터 (5') 는, 그의 저항이 상기 논블로킹 PTC 서미스터 (5) 가 응답한 이후에만 증가하도록, 즉 시간지연과 응답하도록 (cf. 예를 들어 초기에 언급한 스위스연방특허공보 제 581 377 호) 형성된다. 이런 결과로 상기 PTC 서미스터 (5') 는 전기적으로 그리고 열적으로 부하를 받지 않는다. 분류기 브랜치 (6) 에 있어서, 상기 PTC 서미스터 (15) 는 제 3 도에 따른 오옴 저항기 (14) 에 의해 대체될 수 있다. 양자의 경우에 있어, 상기 배리스터 (7)가 블로킹상태로 여전히 잔존하고 있어서 제 5 도에 따른 회로는 과부하 조건하의 보호에 적합하다. 상기 배리스터 (7) 의 연속-작동 전압은 이 경우에 있어 상기 직류 중간회로 (2) 의 작동전압보다 더 커짐이 틀림없다.
만약에 단락회로의 경우의 응답시간과 상기 단락회로 전류리미터 (3) 의 작은 전체볼륨과 더불어 100 A 의 높은 정격전류 운반용량이 요구된다면, 적어도 상기 단락회로 전류리미터 (3) 의 상기 PTC 서미스터 (5) (5') 는 냉각이 필요하다.
이러한 냉각은, 현존의 액체냉각시스템을 갖는 고전력전류 컨버터의 경우에 있어 상기 냉각회로에 합치될 수 있다. 상기 보호장치의 전손실은 상기 전류컨버터(1) (8) (11) (12) 의 손실밸런스때문에 무의미하다.
바람직하게는 상기 분류기 브랜치 (6) 내에 제공된 상기 인덕터 (30) 에 의해, 전회로의 전류-리미팅 응답을 개량하는 것이 이루어질 수 있다.
제 6 도는 논블로킹 PTC 서미스터 (5) 의 저항트랙의 형상을 도시한 것이며, 상기 저항트랙의 형상은 단면평면 (A-A') 에 대해 대칭으로 구불구불한 형상으로 그 중앙부에 구성되어 있다.
스타팅 기초는, 예를 들어 물-분사 절단 또는 레이저 절단, 또는 포토리서그래피 (photolithography) 방법을 사용하는등의 재래식 절단방법에 의해 중앙부에 구불구불한 형상으로 구성된 금속시트이다. 불균질 (핫 포인트) 의 경우에 균일한 전류분배를 이루기 위하여, 저항기를 형성하는 구불구불한 트랙 (16) 은 상호 나란히 가늘고 길게 연장한 갭 (19) (cf. 단면 (17) 내의 구불구불한 트랙 (16) 의 단면표시) 에 의해 적어도 한번, 바람직하게는 여러번 그들의 세로방향으로 나누어진다. 세로로 연속한 갭 (19) 사이에는 예정가능한 세로이격 (a) 을 갖는 갭이 없는 냉각 아일랜드 (18) 가 제공되어, 단락회로 조건하의 동적 응답에 대한 반향없이, 증가된 정격전류 운반용량을 허용한다. 개개의 갭 (19)의 상호 세로이격 (a) 의 증가와 더불어, 정격전류 운반용량이 추가로 개량될 수 있다. 단부에 구불구불한 트랙 (16) 상에 추가로 냉각 아일랜드 (18') 가 제공된다. 단면평면 (A-A') 을 중심으로 상기 구성금속시트를 180˚ 폴딩 (folding) 함으로써, 특히 양방향에 있어 전류의 대칭루팅을 갖는 저-인덕션 구성이 이루어진다.
상기 논블로킹 PTC 서미스터 (5) 용 스타팅 기초로서, 바람직하게는 강자성금속 또는 금속합금이 사용될 수도 있다. 니켈, 아이언 또는 코발트 및 그들의 합금을 기초로 한 재료가 바람직하게는 적당하다. 비강자성 순수금속에 비해 특히 높은, 이들 재료의 양성온도 저항계수는 퀴리온도범위내에서 최대인, 적용에 이로운 비선형응답을 갖는다. 하지만 원칙적으로, 4ㆍ103K1보다 큰 온도 저항계수를 갖는, 베릴륨 또는 루테늄과 같은 비강자성금속이 사용될 수도 있다.
구성금속막 대신에, 화학적 또는 전기화학적 방법에 의해 제조되는, 상술한 재료성분의 층을 사용하는 것이 또한 가능하다.
단락회로 조건하의 상기 PTC 서미스터 (5) 의 요망되는 등적 응답은 능동부의 좁은 횡단면지역을 형성함으로써 이루어진다. 상기 횡단면지역을 위한 전형적인 값은 제 1 도 및 제 2 도에 따른 회로때문에, 0.1 ㎟ 내지 5 ㎟, 바람직하게는 0.5 ㎟ 내지 1.5 ㎟ 의 범위내이다. 실내온도에서의 냉저항은 10 mΩ 내지 100 mΩ 의 범위내이다.
제 7 도는 접지되지 않고서 작동될 수 있는 논블로킹 PTC 서미스터 (5) 의 구성 개략도이며, 상기 논블로킹 PTC 서미스터의 저항트랙은 상기 단면평면 (A-A') 에 직교하는 제 6 도의 단면평면 (B-B') 에 대한 횡단면에 상세히 확대표시되어 있다. 전기적으로 절연성, 열적으로 전도성인, 예를 들어 AlN 또는 BN 또는 Al2O3 로 제조된 절연물 또는 세라믹층 (20) 은 전기적으로 그리고 양호한 열전도성으로 제 1 주표면을 매개로 금속냉각요소 (25)와 접촉한다. 상기 세라믹층 (20) 의 제 1 주표면에 접하여, 상기 금속냉각요소 (25) 는, 작동중에 바람직하게는 난류성 전기전도수 (산업수) 가 흐르도록한 냉각슬롯 (26) 을 갖는다. 상기 제 1 주표면의 맞은편인, 상기 세라믹층 (20) 의 제 2 주표면은 10 μm 내지 100 μm 범위의 두께를 가지는, 예를 들어 실리콘을 기초로한 열-전이 화합물 또는 오일의 전기적절연 열전도층 (21) 으로 덮여 있다. 상기 PTC 서미스터 (5) 의 저항몸체의 구불구불한 트랙 (16) (cf. 제 6 도) 이, 0.2 mm 내지 0.5 mm, 바람직하게는 1 mm 내지 5 mm 범위의 두께를 갖는, 상기 열전도층 (21) 과 전기적절연, 바람직하게는 열적으로 전도성인, 가요성 고온안정 중합체막 (22) 사이에 가압된다. 압력을 제공하기 위해, 상기 세라믹층 (20)의 상기 제 2 주표면에 직교하는 힘 (F) 이 작용하도록 된 압력보상 쿠션 또는 압력보상 요소 (23) 가 제공된다. 상기 압력보상 요소 (23)는, 예를 들어 밀폐 쉘을 형성하도록 용접되고 0.2 cm 내지 3 cm 범위의 두께를 갖는 얇은 가요성 금속막으로 이루어질 수도 있다. 상기 압력보상 요소 (23) 는 바람직하게는 150℃ 이상의 비등온도를 갖는 유전성 또는 전기전도성 유체 (24) 로 충전된다. 카르복실레이트 에스테르, 폴리알콜 에스테르, 중합성 디메틸실록산 또는 지방족 펜타에리트리톨 에스테르가 높은 비등유체 (24) 로서 사용될 수도 있다. 정격전류 운반용량을 증가시키기 위하여, 상기 압력보상 요소 (23) 와 직접 접촉하도록 가열싱크 (나타내지 않음) 를 가져오는 것이 임의로 가능하다. 상기 압력보상 요소 (23) 는, 한편으로는 상기 세라믹층 (20) 상에 상기 저항트랙 (16) 의 균일가압을 제공하고 다른 한편으로는 국부적인 과열로부터 상기 저항트랙 (16) 을 보호하기 위해 대류에 의해 보상냉각을 제공한다.
상기 압력보상 요소 (23) 는 특히, 실리콘 엘라스토머 또는 또 다른 엘라스토머재료로 이루어지는 고온-안정 중합체막 (22) 이 1.5 mm 내지 10 mm 범위의 두께를 가지며 10 쇼어 A 내지 100 쇼어 A 범위의 쇼어 경도를 가질 때면, 무시될 수 있다.
제 8 도 및 제 9 도는 횡단면에서 특히 상세히 저-인덕션 PTC 서미스터 (5) 를 도시하고 있다. 상기 PTC 서미스터 (5) 의 저항 또는 구불구불한 트랙 (16) 은 여기에서, 예를 들어 AlN, BN 또는 Al2O3로 제조된 무기물, 열전도 입자로 충전된 폴리머 매트릭스 (27) 에 매립되거나 합치된다. 상기 폴리머 매트릭스 (27) 는 고온 듀로머 (duromers) 및/또는 엘라스토머 및/또는 고온 열가소성물질로 이루어진다. 상기 폴리머 매트릭스 (27) 는 바람직하게는 폴리에테르 에테르 케톤 (PEEK) 및/또는 폴리에테르 이미드 (PEI) 및/또는 폴리술폰 (PSU) 및/또는 폴리에테르 술폰 (PES) 으로 이루어진다. 두개의 모드를 갖게 분배된 분말이 바람직하게는 충전재로서 사용되는데, 즉 그 입자크기 또는 입자직경은 바람직하게는 2이상의 주파수 극대점을 갖는다. 열전도성을 증가시키기 위하여, 일반적으로 62 체적%의 최대충전비율 (cf. 초기에 언급한 P. Bujard 와 J.P. Ansermet 의 논문) 이 그로인해 증가될 수 있다. 상기 폴리머 매트릭스 (27) 의 탄성적 특성이 바람직하게는 물과 글리콜의 혼합물에 의해 냉각된 냉각요소 (25) 또는 외면금속가열싱크와의 양호한 열접촉을 허용한다.
전류를 비병렬로 공급받는, 적어도 대략 기하학적으로 일치하는 저항 또는 구불구불한 트랙 (16) 이 상기 폴리머 매트릭스 (27) 내에 매립된다. 비병렬 방향으로 서로 이웃하는 구불구불한 트랙 (16) 을 통해 전류가 흐르도록 단부에서 상기구불구불한 트랙 (16) 을 전기적으로 접속시키는 전기선 (28) 이 파선으로 나타나 있다.
제 9 도에 따른 실시예의 PTC 서미스터 (5)의 경우에, 한쪽 또는 양쪽에 대한 상기 구불구불한 트랙 (16) 상에 대략 1μm 두께의 Cr/Ni 층이 접착층(29) 으로서 부착된다. 전해화학적 방법 또는 납땜 방법에 의해 상기 접착층 (29) 상에 니켈 또는 아이언층이 부착된다. 상기 Cr/Ni 층 대신에, 예를 들어 텅스텐으로 제조된 납땜층 또는 또다른 금속층이 부착될 수 있다. 아이언이 사용될때는, 제 2 단계에서의 부식보호로서 니켈 또는 알루미늄층이 부착될 수 있다. 상기 층 (29) 을 매개로, 상기 구불구불한 트랙 (16) 이 전기적으로 그리고 양호한 열전도성으로 세라믹층 (20) 과 접촉하며, 각각의 2 구불구불한 트랙 (16) 은 적어도 대략 기하학적으로 일치하여 상기 세라믹층 (20) 에 대해 마주하게 된다. 제 8 도의 경우에서와 같이, 상기 PTC 서미스터 (5) 의 상기 세라믹층 (20) 과 상기 구불구불한 트랙 (16) 은 폴리머 매트릭스 (27) 내에 매립되고 바람직하게는 물과 글리콜의 혼합물을 사용하는 외면냉각요소 (25) 에 의해 냉각된다.
명백히, 상술한 가르침에 비추어볼때 본 발명에 대한 많은 변형과 변화가 가능하다. 그러므로 본 발명의 청구범위를 벗어나지 않는 범위내에서, 여기에 기재한 것과는 다르게 본 발명이 실시될 수도 있다는 것이 이해되리라 믿는다.
제 1 도는 직류 중간회로를 매개로 선전류 컨버터에 접속된 구동전류 컨버터를 갖는 두접점의 전류 컨버터회로, 상기 직류 중간회로의 커패시터의 단락회로 경로내에 배치된 가역 전류리미터를 도시한 도면;
제 2 도는 제 1 도에 따른, 세접점의 전류 컨버터를 갖는 전류 컨버터회로를 도시한 도면;
제 3 도 내지 제 5 도는 PTC 서미스터, 배리스터 및 인덕터를 갖는 다양한 전류리미터 회로를 도시한 도면;
제 6 도는 제 3 도 내지 제 5 도에 따른 전류리미터 회로의 PTC 서미스터의 저항트랙의 구성의 실시예를 도시한 도면;
제 7 도는 접지되지 않고 작동될 수 있는, 고전력용 산업수 냉각시스템을 갖는 PTC 서미스터의 구조 도식을 도시한 도면;
제 8 도 및 제 9 도는 특히 낮은 인덕턴스를 갖는 PTC 서미스터의 구조 도식을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
4 : 다이오드 5, 5', 15 : PTC 서미스터
6 : 제 2 회로 브랜치 (분류기 브랜치) 7 : 배리스터 (서지전압 보호기)
14 : 오옴 저항기 16 : 저항트랙 (구불구불한 트랙)
20 : 절연층 (세라믹층) 21 : 열전도층
22 : 폴리머막 23 : 압력보상 요소 (쿠션)
24 : 유전성 유체 (dielectric fluid) 25 : 냉각요소
27 : 폴리머 매트릭스 29 : 금속층
30 : 인덕터

Claims (10)

  1. 금속시트 또는 금속층으로 이루어져, 중간에 개입한 절여층 (20) 과 더불어 제 1 주표면을 매개로 냉각요소 (25) 를 가압하는 저항트랙 (16) 을 갖는 PTC 서미스터 (5) (5') (15) 에 있어서,
    밀폐쉘을 형성하는 금속막으로 이루어지며, 힘이 가해질때 상기 저항트랙 (16) 의 제 1 주표면에 대향하는 제 2 주표면에 대해 가압하는 압력보상요소 (23) 와,
    상기 제 2 주표면과 직접적으로 접촉하도록 상기 압력보상요소 (23) 와 상기 제 2 주표면사이에 배치된, 가요적인 열전도성 폴리머막 (22) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 PTC 서미스터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리머막 (22)은 실리콘 엘라스토머 또는 또 다른 엘라스토머 재료로 이루어지고, 1.5 mm 내지 10 mm 범위의 두께를 가지며, 특히 10 쇼어 A 내지 100 쇼어 A 범위의 쇼어 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 PTC 서미스터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 저항트랙 (16)은 상기 절연층 (20) 에 전기적절연 열전도층 (21) 을 매개로 접속되고, 특히 상기 열전도층 (21) 은 실리콘을 기초로 한 열-전이 화합물이고 10 μm 내지 100 μm 범위의 두께를 갖는 것을특징으로 하는 PTC 서미스터.
  4. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 압력보상요소 (23)는 150℃ 이상의 비등온도를 갖는 유전성 또는 전기전도성 유체 (24) 로 충전되어, 밀폐쉘을 형성하는 금속막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 PTC 서미스터.
  5. 금속시트 또는 금속층으로 이루어져, 폴리머 매트릭스를 매개로 하나 이상의 냉각요소 (25) 에 열전도적으로 접속된 저항트랙 (16) 을 갖는 PTC 서미스터 (5) (5') (15) 에 있어서,
    상기 저항트랙 (16) 이 180° 접어 겹쳐져, 둘 이상으로 상호분리되고 적어도 대략 기하학적으로 일치하는 상기 저항트랙 (16) 이 상기 폴리머 매트릭스 (27) 내에 매립되어 적어도 대략 기하학적으로 일치하는 상기 저항트랙 (16) 의 부분들이 마주하게 되고, 상기 저항트랙 (16) 이 작동중에 비병렬 방향으로 서로 이웃하는 저항트랙 (16) 을 통해 전류가 흐르도록 전기접속되는 것을 특징으로 하는 PTC 서미스터.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 마주하는 저항트랙 (16) 사이에 절연층 (20) 이 제공되고, 이들 저항트랙 (16) 은 금속층 (29) 을 매개로 상기 절연층 (20) 에 접속되며, 특히 상기 금속층 (29) 은 Cr/Ni 층인 것을 특징으로 하는 PTC 서미스터.
  7. 제 1 회로 브랜치내에 전항들 중 어느 한 항에서와 같은 하나 이상의 PTC 서미스터를 갖고, 상기 제 1 회로 브랜치와 병렬로 전기접속된 제 2 회로 브랜치 (6) 내에 하나 이상의 배리스터 (7) 를 갖는 전류 리미터장치 (3) 에 있어서,
    상기 제 2 회로 브랜치 (6) 내에 하나 이상의 전기저항기 (14) (15) (30) 가 접속되어, 상기 하나 이상의 배리스터 (7) 와 직렬접속하는 것을 특징으로 하는 전류 리미터장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 회로 브랜치 (6) 내의 저항기는 오옴 저항기 (14) 또는 PTC 서미스터 (15) 이고, 특히 상기 제 2 회로 브랜치 (6) 내의 직렬회로는 인덕터 (30) 를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 제 1회로 브렌치는 직렬로 접속된 두개 이상의 PTC 서미스터 (5) (5') 를 가지며, 제 1 PTC 서미스터 (5) 는 냉저항의 100 배 이하의 가열저항 점프를 갖고, 제 2 PTC 서미스터 (5') 는 100 배, 바람직하게는 104 이상의 가열저항점프를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 회로브랜치와 병렬로 접속된 제 3 회로 브랜치내에 단락회로 경로의 역-바이어스 방향으로 다이오드 (4) 가 접속되는 것을 특징으로 하는 장치.
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