KR20050094548A - 정온도계수 물질층이 접합된 바이메탈 플레이트 및 이를이용한 과전류 차단소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정온도계수(Positive Temperature Coefficient: 이하, PTC) 물질층이 접합된 바이메탈 플레이트 및 이를 이용한 과전류 차단소자에 대한 것이다. 본 발명에 따른 바이메탈 플레이트는 열팽창계수가 서로 다르고 마주 보며 접한 제1 및 제2금속층과, 상기 제1 또는 제2금속층 상에 직접적으로 접합된 PTC 물질층을 구비한다. 또한 본 발명에 따른 과전류 차단 소자는 전원과 부하 사이의 전기회로에 접속되어 부하로 과전류가 공급되는 것을 차단하는 소자로서, 상기 바이메탈 플레이트와, 과전류의 차단을 위한 스위칭 동작을 수행하는 상부 및 하부 접점을 구비하고, 전기회로에서 과전류가 발생되면 상기 바이메탈 플레이트의 구브러짐으로 인해 상부 접점과 하부 접점의 콘택이 해제되고, 그 이후에도 PTC 물질층이 누설전류에 의한 주울 열을 발생시켜 상기 바이메탈 플레이트의 구부러진 상태를 지속적으로 유지시킴으로써, 반복적인 트립(cycling trip) 현상을 원천적으로 차단한 것을 특징으로 한다.

Description

정온도계수 물질층이 접합된 바이메탈 플레이트 및 이를 이용한 과전류 차단소자{Bimetal plate laminated thereon positive temperature coefficient material layer and Device of blocking over current in electrical circuit using the same}

본 발명은 과전류 차단 용도로 사용되는 바이메탈 플레이트 및 이를 이용한 과전류 차단 소자에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 반복적인 트립(cycling trip) 현상이 없는 바이메탈 플레이트 및 이를 이용한 과전류 차단 소자에 대한 것이다.

바이메탈은 열팽창계수가 서로 다른 2개의 금속을 서로 접합시켜 놓은 것으로서, 온도가 변화되면 금속의 상대적인 열팽창률 차이로 인해 구부러지는 특성을 가지고 있다. 이에 따라 최근에는 전기회로의 단락 등으로 인한 과전류에 의해 발생되는 열을 감지하고 전원에서 부하로 흐르는 전류공급을 차단시키는, 바이메탈을 이용한 과전류 차단 소자가 널리 사용되고 있다.

도1은 종래의 바이메탈을 이용한 과전류 차단 소자에 대한 일반적인 구성을 도시한 단면도이고, 도2는 상기 과전류 차단 소자가 전기회로에 접속되어 있는 것을 도시한 회로도이다.

도1 및 도2를 참조하면, 종래의 과전류 차단 소자(A)는 열팽창계수가 서로 다른 상부 금속(20) 및 하부 금속(30)이 서로 마주 대하며 접합된 바이메탈 플레이트(40)와, 상기 플레이트(40)의 하부 금속(40) 일 측에 접합되는 상부 접점(50)과, 상기 상부 접점(50)과 콘택을 이루도록 금속 리드(70)에 접합되는 하부 접점(60);을 구비한다.

여기서, 상기 상부 금속(20)은 하부 금속(30)보다 열팽창계수가 더 작다. 그리고 상기 바이메탈 플레이트(40) 및 상기 금속 리드(70)는 과전류 제어의 대상이 되는 전기회로(B)의 전원(80)과 부하(90) 사이에 직렬로 접속된다. 아울러 상기 바이메탈 플레이트(40)는 상기 전기회로(B)에서 흐르는 전류에 의해 주울(Joule) 열을 발생시키는 소정의 저항 발열체(100)와 직접적인 접촉을 이룸으로써 전기회로(B)에서 발생되는 열을 감지하여 스위칭 동작을 하게 된다.

상기한 구성을 가지는 과전류 차단 소자(A)에 있어서, 상기 바이메탈 플레이트(40)는 상기 저항 발열체(100)의 온도가 스위칭 동작이 요구되는 소정의 설정온도보다 낮으면 그 형상이 수평상태를 유지한다. 따라서 상기 상부 접점(50)과 하부 접점(60) 사이의 전기적인 콘택은 해제되지 않으며, 이에 따라 과전류 차단 소자가 접속된 전기회로(B)에서는 전원(80)으로부터 부하(90)로 전류가 정상 공급되게 된다.

이에 반하여, 전기회로(B)에서 단락과 같은 물리적인 결함이 생기면 전기회로(B)에서 과전류가 발생된다. 그러면 상기 저항 발열체(100)의 온도가 스위칭 동작이 요구되는 소정의 설정온도보다 높게 상승하게 되며, 이에 따라 상기 바이메탈 플레이트(40)의 형상이 구브러져 상부 접점(50)과 하부 접점(60)간의 콘택이 해제됨으로써 전원(80)으로부터 부하(90)로의 전류 공급이 차단되게 된다.

그런데 상부 접점(50)과 하부 접점(60)의 콘택이 해제되면, 저항 발열체(100)로의 전류 공급도 함께 차단되어 저항 발열체(100)에서는 더 이상의 주울 열이 발생되지 않게 된다. 이에 따라 저항 발열체(100) 및 이와 직접적인 접촉을 이루는 바이메탈 플레이트(40)의 온도도 함께 하강한다. 그 결과 바이메탈 플레이트(40)의 형상이 원래대로 복원되면서 다시 상부 접점(50)과 하부 접점(60) 사이에 전기적 콘택이 형성되게 된다. 하지만 전기회로(B)에서 과전류의 요인이 없어진 것은 아니므로, 다시 저항 발열체(100) 및 바이메탈 플레이트(40)의 온도가 상승하게 되고 이에 따라 다시 상부 접점(50)과 하부 접점(60)의 전기적 콘택이 해제된다.

이러한 상부 접점(50)과 하부 접점(60)의 반복적인 개폐는 전기회로(B)에서 과전류의 원인이 제거되지 않는 이상 계속적으로 반복되는데, 이를 반복적인 트립(cycling trip) 현상이라고 지칭한다. 그런데 상부 접점(50)과 하부 접점(60)의 콘택이 해제될 때에는 접점 사이에서 불꽃과 전기적인 잡음이 야기되므로, 반복적인 트립 현상이 발생되면 상부 접점(50) 및 하부 접점(60)의 물리적 열화가 수반되는 문제가 있다. 또한 전원(80)으로부터 전류를 공급받는 부하(90)가 잡음에 민감한 장치인 경우는 반복적인 트립 현상으로 인해 장치가 손상될 위험이 있게 된다.

한편 과전류 차단 소자에는 바이메탈을 이용한 소자 이외에도 정온도계수(Positive Temperature Coefficient: 이하, PTC) 특성을 보이는 PTC 물질을 이용한 소자도 있다. 이러한 소자는 일반적으로 PTC 써미스터(Thermistor)라고 불리운다. PTC 써미시터는 상온에서는 낮은 저항 값을 가지고 있어서 전원으로부터 부하로 흐르는 전류를 통과시키는 특성이 있다. 하지만 전기회로에서 단락과 같은 결함이 야기되어 과전류가 발생되면, PTC 써미스터는 주울 열의 발생으로 온도가 갑작스럽게 증가되고 이에 따라 저항이 수 만배까지 상승함으로써 과전류가 전원으로부터 부하로 흐르는 것을 차단하게 된다. 이처럼 PTC 써미스터의 저항이 수 만배까지 상승하는 온도를 과전류 차단 온도라 하며, 과전류 차단 온도는 PTC 물질의 성분을 조정함으로써 용이하게 변화시킬 수 있다.

그런데 PTC 써미스터의 경우는, 전류가 차단된 이후에도 누설전류에 의해 지속적인 발열이 야기되기 때문에 고 저항 상태를 계속 유지한다. 따라서 PTC 써미스터는 바이메탈을 이용한 과전류 차단 소자와 같이 전류의 차단과 통전이 반복되는 반복적인 트립 현상을 수반하지 않는 장점이 있다.

이에 따라 바이메탈을 이용한 각종 스위칭 장치에 PTC 물질을 적용하고자 하는 시도가 다각도로 모색되고 있다.

일 예로, 미국특허 제5,870,014호(이하, '014 특허)는 냉동기의 압축기 모터를 구동하는 코일로 흐르는 전류를 U자형 바이메탈을 이용하여 차단하는 과정에서 PTC 물질로 이루어진 필(pill)을 이용하여 U자형 바이메탈에 열을 공급하는 구성을 게시하고 있다.

하지만 상기 '014 특허의 경우, PTC 필과 U자형 바이메탈의 열적 접촉이 정확하게 정의되어 있지 않아 열전달이 효율적으로 이루어질 수 없고, 스위칭 동작시 U자형 바이메탈의 주요 변형 부분은 U자형 밴딩이 이루어진 부분임에도 불구하고, 그 부분에 직접적인 열 공급이 이루어지지 않기 때문에, 바이메탈의 반복적인 트립 현상을 원천적으로 방지할 수 없다는 한계가 있다.

다른 예로, 미국특허 제6,503,647호(이하, '647 특허)는 배터리 보호 모드에서 PTC 써미스터를 이용하여 바이메탈로 열을 공급할 수 있는 구성을 가진 배터리 보호기를 게시한다. 하지만 상기 '647 특허의 경우도, 바이메탈의 스프링 텐션을 유지하기 위하여 PTC 써미스터가 바이메탈과 점접촉을 이루고 있을 수밖에 없어 열전달이 효과적으로 이루어질 수 없고, 또 PTC 써미스터가 바이메탈과 점접촉을 이루는 부분은 바이메탈의 주요한 변형이 유발되는 지점도 아니기 때문에, 여전히 바이메탈의 반복적인 트립 현상을 원천적으로 방지할 수 없다는 한계를 안고 있다.

따라서 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 반복적인 트립 현상의 발생을 원천적으로 차단할 수 있는 새로운 구조의 바이메탈 플레이트와 이를 이용한 과전류 차단 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이메탈 플레이트는, 과전류 차단을 위한 스위칭 소자의 용도로 사용되는 것으로서, 서로 다른 열팽창계수를 가지고 마주 대하며 접합된 제1금속층 및 제2금속층과, 상기 제1금속층 또는 상기 제2금속층 상에 접합된 PTC 물질층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 PTC 물질층에는 전극층이 더 접합된다. 그리고 PTC 물질층의 저항 상승에 의한 과전류 차단 온도는 상기 제1금속층 및 제2금속층의 구부러짐에 의한 과전류 차단 온도보다 높거나 같은 것이 바람직하다.

상기 제1금속층은 상기 제2금속층보다 큰 열팽창계수를 가질 수도 있고, 그 반대일 수도 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 태양에 따른 과전류 차단 소자는 전원과 부하 사이에 접속되어 부하로의 과전류 공급을 차단하기 위한 용도로 사용되는 것으로서, 제1열팽창계수를 가진 제1금속층과, 상기 제1열팽창계수보다 큰 제2열팽창계수를 가지며 상기 제1금속층의 하부에 접합된 제2금속층과, 상기 제1금속층 상에 접합된 PTC 물질층과, 상기 PTC 물질층 상에 접합되며 전원으로부터 부하로 흐르는 전류를 상기 PTC 물질층으로 통전시키기 위한 전극층과, 상기 제2금속층의 일 측 하부에 접합된 상부 접점과, 과전류 차단을 위해 상기 상부 접점과 개폐 동작이 가능한 콘택을 형성하도록 고정된 하부 접점;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 태양에 따른 과전류 차단 소자는 전원과 부하 사이에 접속되어 부하로의 과전류 공급을 차단하기 위한 용도로 사용되는 것으로서, 제1열팽창계수를 가진 제1금속층과, 상기 제1열팽창계수보다 큰 제2열팽창계수를 가지며 상기 제1금속층의 하부에 접합된 제2금속층과, 상기 제2금속층 상에 접합된 PTC 물질층과, 상기 PTC 물질층 상에 접합되며 전원으로부터 부하로 흐르는 전류를 상기 PTC 물질층으로 통전시키기 위한 전극층과, 상기 전극층의 일 측 하부에 접합된 상부 접점과, 과전류 차단을 위해 상기 상부 접점과 개폐 동작이 가능한 콘택을 형성하도록 고정된 하부 접점;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 태양에 따른 과전류 차단 소자는 전원과 부하 사이에 접속되어 부하로의 과전류 공급을 차단하기 위한 용도로 사용되는 것으로서, 제1열팽창계수를 가진 제1금속층과, 상기 제1열팽창계수보다 큰 제2열팽창계수를 가지며 상기 제1금속층의 하부에 접합된 제2금속층과, 상기 제2금속층의 일 측을 노출시키도록 상기 제2금속층에 접합된 PTC 물질층과, 상기 PCT 물질층 상에 접합되며 전원으로부터 부하로 흐르는 전류를 상기 PTC 물질층으로 통전시키기 위한 전극층과, 상기 노출된 제2금속층 상에 접합된 상부 접점과, 과전류 차단을 위해 상기 상부 접점과 개폐 동작이 가능한 콘택을 형성하도록 고정된 하부 접점;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 태양에 따른 과전류 차단 소자는 전원과 부하 사이에 접속되어 부하로의 과전류 공급을 차단하기 위한 용도로 사용되는 것으로서, 제1열팽창계수를 가진 제1금속층과, 상기 제1열팽창계수보다 큰 제2열팽창계수를 가지며 상기 제1금속층의 하부에 접합된 제2금속층과, 상기 제2금속층에 접합된 PTC 물질층과, 상기 PCT 물질층 상에 접합되며 전원으로부터 부하로 흐르는 전류를 상기 PTC 물질층으로 통전시키기 위한 전극층과, 상기 제1금속층 및/또는 제2금속층의 일 단부로부터 연장된 금속 단편에 접합된 상부 접점과, 과전류 차단을 위해 상기 상부 접점과 개폐 동작이 가능한 콘택을 형성하도록 고정된 하부 접점;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 제1금속층 및/또는 제2금속층과 상기 하부 접점은 상기 전원과 부하 사이에 형성된 전기회로에 직렬로 접속된다. 이를 위해 상기 하부 접점은 상기 전기회로에 접속되는 금속 리드에 고정되고, 상기 제1금속층 및/또는 제2금속층에는 상기 전기회로에 접속되는 금속리드가 접합되어 있는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 전극층은 상기 전원과 부하 사이에 형성된 전기회로에 병렬로 접속된다. 이를 위해, 상기 전극층에는 전기회로와의 접속을 이루기 위한 금속 리드가 접합되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 PTC 물질층의 저항 상승에 의한 과전류 차단 온도는 상기 제1금속층 및 제2금속층의 구브러짐에 의한 과전류 차단 온도보다 높거나 같은 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 바이메탈 플레이트(C)는 도3a에 도시된 바와 같이 제1열팽창계수를 가지는 제1금속층(110)과, 상기 제1열팽창계수보다 큰 제2열팽창계수를 가지며 상기 제1금속층(110)과 마주 대하여 접합된 제2금속층(120)과, 상기 제1금속층(110) 상에 접합된 PTC 물질층(130)을 구비한다.

여기서, 상기 PTC 물질층(130) 상에는 전극층(140)이 접합되어 있는 것이 바람직하다. 상기 전극층(140)은 과전류 제어의 대상이 되는 전기회로에서 흐르는 전류를 상기 PTC 물질층(130)으로 통전시키는 기능을 수행한다. 상기 바이메탈 플레이트(C)는 Rm 온도가 스위칭 동작을 위한 소정의 설정온도보다 높게 상승하게 되면 제1금속층(110) 및 제2금속층(120)의 열팽창계수 차이로 인해 도3b에 도시된 바와 같이 열팽창계수가 상대적으로 작은 제1금속층(110) 방향으로 구브러진다. 바람직하게, 상기 PTC 물질층(130)의 저항 상승에 의한 과전류 차단 온도는 상기 제1금속층(110)과 제2금속층(120)의 온도 상승에 따른 구브러짐에 의한 과전류 차단 온도보다 같거나 높다.

상기 제1금속층(110)은 니켈과 철의 합금으로 이루어질 수 있고, 제2금속층(120)은 구리와 아연의 합금, 니켈; 망간; 및 철의 합금, 니켈; 몰리브덴; 및 철의 합금, 또는 망간; 니켈; 및 구리의 합금으로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 PTC 물질층(130)은 저밀도폴리에틸렌 (LDPE) 또는 고밀도폴리에틸렌(HDPE)에 카본블랙 또는 메탈 프레이크와 과산화물 가교제를 혼합한 전도성 복합체, 또는 티탄산 바륨을 주성분으로 하는 세라믹으로 구성가능하고, 상기 전극층(140)은 Ag에 Zn, In 등을 첨가한 PTC 써미스터용 전극물질, 니켈 또는 알루미늄으로 구성가능하다. 하지만 본 발명의 기술적 범위는 상기한 바에 한정되는 것은 아니므로, 제1금속층(110) 및 제2금속층(120), PTC 물질층(130), 및 전극층(140)을 구성하는 물질은 다양한 변형이 가능함은 물론이다.

한편 본 발명에 따른 바이메탈 플레이트의 변형예에서, 상기 PTC 물질층(130)과 전극층(140)은 도4b에 도시된 바와 같이 제2금속층(120)의 하부에 접합되어도 무방하다. 이러한 경우에도 바이메탈 플레이트(C)의 온도가 스위칭 동작을 위한 소정의 설정온도 이상으로 상승하면, 도4b에 도시된 바와 같이 제1금속층(110) 방향으로 바이메탈 플레이트(C)가 구브러지게 된다.

그러면 이하에서는 전술한 구성을 가지는 바이메탈 플레이트(C)를 이용한 본 발명에 따른 과전류 차단 소자의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 여기서, 본 발명의 과전류 차단 소자는 전원과 부하 사이에 접속되어 부하로의 과전류 공급을 차단하기 위한 용도로 사용됨을 미리 밝혀둔다.

도5a는 본 발명의 실시예에 따른 과전류 차단 소자의 구성을 개략적으로 보여준다. 도면을 참조하면, 상기 과전류 차단 소자(D)는, 제1열팽창계수를 가진 제1금속층(110)과, 상기 제1열팽창계수보다 큰 제2열팽창계수를 가지며 상기 제1금속층(110)의 하부에 접합된 제2금속층(120)과, 상기 제1금속층(110) 상에 접합된 PTC 물질층(130)과, 상기 PTC 물질층(130) 상에 접합되며 전원으로부터 부하로 흐르는 전류를 상기 PTC 물질층(130)으로 통전시키기 위한 전극층(140)과, 상기 제2금속층(120)의 일 측 하부에 접합된 상부 접점(150)과, 과전류 차단을 위해 상기 상부 접점(150)과 개폐 동작이 가능한 전기적 콘택을 형성하도록 고정된 하부 접점(160)을 구비한다. 여기서, 상기 제1금속층(110) 및 제2금속층(120), PTC 물질층(130), 및 전극층(140)을 구성하는 물질의 종류는 본 발명에 따른 바이메탈 플레이트(C)를 설명하면서 이미 상술한 바 있으므로, 여기에서는 그 설명을 생략한다.

상기 제1금속층(110) 및/또는 제2금속층(120)과 상기 하부 접점(160)은 전원과 부하 사이에 형성된 전기회로에 직렬로 접속되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 본 발명의 과전류 차단 소자(D)는 상기 하부 접점(160)을 전기회로에 접속하기 위한 금속 리드(170)를 더 포함하고, 상기 하부 접점(160)은 상기 금속 리드(170)에 고정될 수 있다. 그리고 본 발명의 과전류 차단 소자(D)에 있어서, 상기 제1금속층(110) 및/또는 제2금속층(120)에는 전기회로에 접속되는 금속리드(미도시)가 접합되어 있을 수 있다.

상기 전극층(140)은 전원과 부하 사이에 형성된 전기회로에 병렬로 접속되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 전극층(140)에는 전기회로와의 접속을 이루기 위한 금속 리드(미도시)가 접합되어 있을 수 있다.

본 발명의 과전류 차단 소자의 바람직한 동작을 위해서, PTC 물질층(130)의 저항이 급상승하는 과전류 차단 온도는 제1금속층(110) 및 제2금속층(120)의 구부러짐에 의한 과전류 차단 온도보다 크거나 같은 것이 바람직하다.

한편 본 발명의 과전류 차단 소자(D)에 있어서, PTC 물질층(130)의 접합 위치와 상부 접점(150)이 접합되는 물질층의 종류는 다양하게 변형이 가능하다. 일예로, 상기 PTC 물질층(130)과 전극층(140)은 도5b에 도시된 바와 같이 제2금속층(120)의 하부에 접합되고 상부 접점(150)은 상기 전극층(140)의 일 측에 접합될 수 있다. 다른 예로, 상기 PTC 물질층(130)과 전극층(140)은 도5c에 도시된 바와 같이 상부 접점(150)이 접합될 지점은 제외하고 제2금속층(120)의 하부에 접합되고, 상부 접점(150)은 PTC 물질층(130)과 전극층(140)이 접합되지 않은 제2금속층(120) 상에 접합될 수 있다. 또 다른 예로, 도5d에 도시된 바와 같이 상기 제1금속층(110)과 제2금속층(120)의 일 단에 금속 단편(180)이 접합되고, 상기 PTC 물질층(130)과 전극층(140)은 상기 제2금속층(120) 상에 접합되고, 상기 상부 접점(150)은 상기 금속 단편(180)의 하부에 접합될 수 있다.

도6a 및 도6b는 본 발명의 과전류 차단 소자(D)가 전원(190)과 부하(200) 사이에 접속되어 있는 전기회로를 보다 구체적으로 보여준다. 설명의 편의를 위해, 도5a 내지 도5d에 도시된 제1금속층(110), 제2금속층(120), 상부 접점(150) 및 하부 접점(160)은 '바이메탈부(D1)'라고 지칭하고, PTC 물질층(130) 및 전극층(140)은 'PTC 써미스터부(D2)'라고 지칭한다. 아울러, 도6a 및 도6b에 도시된 노드 E, F 및 G는 상기 바이메탈부(D1)와 PTC 써미스터부(D2)가 전기회로에 접속된 지점을 나타낸다는 것을 밝혀둔다.

도6a 및 도6b에 나타난 바와 같이, 상기 바이메탈부(D1)는 하부 접점(160)과 제1금속층(110) 및/또는 제2금속층(120)에 체결되어 있는 금속 리드(미도시)를 매개로 하여 노드 E 및 F에 직렬로 접속된다. 그리고 PTC 써미스터부(D2)는 도6a에 나타난 전기회로에서는 별도의 노드에 접속되지 않고 전기회로에 병렬로 접속되고, 도6b에 나타난 전기회로에서는 전극층(140)에 체결되어 있는 금속 리드(미도시)를 통하여 노드 G에 접속됨으로써 전기회로에 병렬로 접속된다.

그러면, 이하에서는 상술한 바와 도6a 및 도6b에 도시된 회로도를 참조하여 본 발명에 따른 과전류 차단 소자(D)의 동작을 상세하게 설명하기로 한다.

도6a 및 도6b를 참조하면, 전기회로에서 과전류가 발생되면 바이메탈부(D1)의 온도가 자체 저항에 의한 발열로 동작 온도까지 상승한다. 그러면 바이메탈부(D1)의 전기적 콘택이 해제됨으로써 과전류가 부하(200)로 인가되지 않게 된다.

한편, 바이메탈부(D1)의 온도가 상승하면 PTC 써미스터부(D2)의 온도도 동반 상승한다. 이는 바이메탈부(D1)와 PTC 써미스터부(D2)가 직접적인 접촉을 이루고 있고 PTC 써미스터부(D2)에서도 자체적인 발열이 이루어지기 때문이다. 바이메탈부(D1)의 온도 상승으로 전기적 콘택이 해제된 상태에 이르게 되면, PTC 써미스터부(D2)의 저항은 온도의 동반 상승으로 충분히 증가한다. 이에 따라, PTC 써미스터부(D2)에서는 누설 전류에 의한 주울 열이 지속적으로 발생됨으로써 그 온도가 과전류 차단 온도에까지 이르게 되고, 이러한 과정에서 발생되는 열은 바이메탈부(D1)로 전도되어 바이메탈부(D1)의 전기적 콘택 해제 상태를 지속적으로 유지시켜 준다. 이러한 콘택 해제 상태는 PTC 써미스터부(D2)의 과전류 차단 온도가 바이메탈부(D1)의 동작 온도보다 크거나 같은 경우에 바람직하게 유지된다.

위와 같은 열전달 메카니즘에 의해, 바이메탈부(D1)가 반복적으로 개폐되는 트립 현상의 발생을 원천적으로 차단할 수 있으며, 나아가 바이메탈부(D1)의 반복적인 개폐에 의한 접점의 열화와 접점 사이에서 발생되는 잡음으로 인한 부하의 손상을 방지할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 과전류 차단용으로 사용되는 바이메탈 플레이트에 PTC 물질층을 접합시킴으로써 반복적인 트립 현상이 발생되지 않으므로 접점의 열화와 잡음에 의한 부하의 손상을 원천적으로 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, PTC 물질층이 바이메탈과 직접적인 접촉 계면을 형성하고 있기 때문에 전기회로에서 과전류가 발생되면 PTC 물질층으로부터 바이메탈로 신속하고 빠르게 연전달이 이루어진다. 이에 따라 과전류 차단 소자의 높은 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도1은 종래의 바이메탈을 이용한 과전류 차단 소자의 구성을 도시한 단면도이다.

도2는 종래의 바이메탈을 이용한 과전류 차단 소자가 전기회로에 접속되어 있는 것을 도시한 회로도이다.

도3a 및 도4a는 본 발명의 실시예에 따른 바이메탈 플레이트의 구성을 도시한 단면도들이다.

도3b 및 도4b는 본 발명의 실시예에 따른 바이메탈 플레이트의 동작을 도시한 단면도들이다.

도5a 내지 도5d는 본 발명의 실시예에 따른 과전류 차단 소자의 구성을 도시한 단면도들이다.

도6a 및 도6b는 본 발명의 실시예에 따른 과전류 차단 소자가 전기회로에 접속되어 있는 것을 도시한 회로도들이다.

Claims (13)

1. 과전류 차단을 위한 스위칭 소자의 용도로 사용되는 바이메탈 플레이트에 있어서,

   서로 다른 열팽창계수를 가지고 마주 대하며 접합된 제1금속층 및 제2금속층과, 상기 제1금속층 또는 상기 제2금속층 상에 접합된 PTC 물질층을 구비하는 것을 특징으로 하는 바이메탈 플레이트.
2. 제1항에 있어서,

   상기 PTC 물질층 상에 접합된 전극층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 바이메탈 플레이트.
3. 제1항에 있어서,

   상기 PTC 물질층의 저항 상승에 의한 과전류 차단 온도는 상기 제1금속층 및 제2금속층의 구부러짐에 의한 과전류 차단 온도보다 높거나 같은 것을 특징으로 하는 바이메탈 플레이트.
4. 전원과 부하 사이에 접속되어 부하로의 과전류 공급을 차단하기 위한 용도로 사용되는 과전류 차단 소자에 있어서,

   제1열팽창계수를 가진 제1금속층;

   상기 제1열팽창계수보다 큰 제2열팽창계수를 가지며 상기 제1금속층의 하부에 접합된 제2금속층;

   상기 제1금속층 상에 접합된 PTC 물질층;

   상기 PTC 물질층 상에 접합되며 전원으로부터 부하로 흐르는 전류를 상기 PTC 물질층으로 통전시키기 위한 전극층;

   상기 제2금속층의 일 측 하부에 접합된 상부 접점; 및

   과전류 차단을 위해 상기 상부 접점과 개폐 동작이 가능한 콘택을 형성하도록 고정된 하부 접점;을 구비하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 소자.
5. 전원과 부하 사이에 접속되어 부하로의 과전류 공급을 차단하기 위한 용도로 사용되는 과전류 차단 소자에 있어서,

   제1열팽창계수를 가진 제1금속층;

   상기 제1열팽창계수보다 큰 제2열팽창계수를 가지며 상기 제1금속층의 하부에 접합된 제2금속층;

   상기 제2금속층 상에 접합된 PTC 물질층;

   상기 PTC 물질층 상에 접합되며 전원으로부터 부하로 흐르는 전류를 상기 PTC 물질층으로 통전시키기 위한 전극층;

   상기 전극층의 일 측 하부에 접합된 상부 접점; 및

   과전류 차단을 위해 상기 상부 접점과 개폐 동작이 가능한 콘택을 형성하도록 고정된 하부 접점;을 구비하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 소자.
6. 전원과 부하 사이에 접속되어 부하로의 과전류 공급을 차단하기 위한 용도로 사용되는 과전류 차단 소자에 있어서,

   제1열팽창계수를 가진 제1금속층;

   상기 제1열팽창계수보다 큰 제2열팽창계수를 가지며 상기 제1금속층의 하부에 접합된 제2금속층;

   상기 제2금속층의 일 측을 노출시키도록 상기 제2금속층에 접합된 PTC 물질층;

   상기 PCT 물질층 상에 접합되며 전원으로부터 부하로 흐르는 전류를 상기 PTC 물질층으로 통전시키기 위한 전극층;

   상기 노출된 제2금속층 상에 접합된 상부 접점; 및

   과전류 차단을 위해 상기 상부 접점과 개폐 동작이 가능한 콘택을 형성하도록 고정된 하부 접점;을 구비하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 소자.
7. 전원과 부하 사이에 접속되어 부하로의 과전류 공급을 차단하기 위한 용도로 사용되는 과전류 차단 소자에 있어서,

   제1열팽창계수를 가진 제1금속층;

   상기 제1열팽창계수보다 큰 제2열팽창계수를 가지며 상기 제1금속층의 하부에 접합된 제2금속층;

   상기 제2금속층에 접합된 PTC 물질층;

   상기 PCT 물질층 상에 접합되며 전원으로부터 부하로 흐르는 전류를 상기 PTC 물질층으로 통전시키기 위한 전극층;

   상기 제1금속층 및/또는 제2금속층의 일 단부로부터 연장된 금속 단편에 접합된 상부 접점; 및

   과전류 차단을 위해 상기 상부 접점과 개폐 동작이 가능한 콘택을 형성하도록 고정된 하부 접점;을 구비하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 소자.
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1금속층 및/또는 제2금속층과 상기 하부 접점은 상기 전원과 부하 사이에 형성된 전기회로에 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 소자.
9. 제8항에 있어서,

   상기 하부 접점은 상기 전기회로에 접속되는 금속 리드에 고정되는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 소자.
10. 제8항에 있어서,

    상기 제1금속층 및/또는 제2금속층에는 상기 전기회로에 접속되는 금속 리드가 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 소자.
11. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 전극층은 상기 전원과 부하 사이에 형성된 전기회로에 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 소자.
12. 제11항에 있어서,

    상기 전극층에는 전기회로와의 접속을 이루기 위한 금속 리드가 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 소자.
13. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 PTC 물질층의 저항 상승에 의한 과전류 차단 온도는 상기 제1금속층 및 제2금속층의 구브러짐에 의한 과전류 차단 온도보다 높거나 같은 것을 특징으로 하는 과전류 차단 소자.