SE445691B - Kretsskyddsanordning och dess anvendning - Google Patents

Description

l5 20 25 30 35 7909910-7 2 kretsskyddsanordningar av detta slag faktiskt har tillverkats, så är de angivna anvisningarna inadekvata och vilseledande.

Föreliggande uppfinning avser förbättrade kretsskyddsanordningar, som innefattar ett PTC-element (dvs. ett element sammansatt av ett PTC-material) och som har förmåga att leda relativt stora strömmar även när de har liten storlek. (1) (2) (3) En aspekt av uppfinningen avser en elektrisk krets som innefattar en elektrisk kraftkälla; en kretsskyddsanordning innefattande minst två elektroder och ett PTC- element sammansatt av en PTC-komposition med en switchtemperatur TS; och andra kretselement, som är seriekopplade med PTC-elementet och som har en impedans RL ohm; varvid den elektriska kretsen har ett normalt drifttillstånd, i vilket (A) (a) , (b) (C) (D) och varvid anordningen har ett sådant elektrisk ström flyter genom PTC-elementet över en yta med ekvivalent diameter d med en medelväglängd t så att d/t är minst 2; anordningen befinner sig vid en temperatur T dn, vid vilken anordningen har en resistans R dn som är mindre än l ohm; och mindre än 0,5 x RL ohm, företrädesvis mindre än 0,1 x RL ohm, och vid vilken PTC-kompositionen har en resistivitet mindre än 10 ohm.cm; anordningen är i kontakt med ett medium som befinner sig vid en temperatur T n; och det föreligger en stabil jämvikt mellan den hastighet med vilken anordningen alstrar värme genom lzR-upphettning och den hastighet med vilken värme förloras från anordningen; förmåga att förlora värme till nämnda medium med en sådan hastighet att (a) om (i) mediet upphettas långsamt från Tn medan RL och spänningen hos den elektriska kraftkällan hålls väsentligen konstanta, eller (ii) element i kretsen förändras så att den ström som flyter genom anordningen långsamt ökar från in medan T n hålls väsentligen konstant, tempera- turen hos anordningen långsamt ökar tills kretsen när ett kritiskt driftstillstånd, i vilket jämvikten mellan den hastighet med vilken anordningen alstrar värme genom lzR-upphettning och den hastighet med vilken värme förloras från anordningen är instabil, anordningen befinner sig vid en temperatur T d mp och har en resistans R d mp, och efíekt/temperatur-samband och) 10 15 20 25 30 35 7909910-7 3 den hastighet med vilken resistansen hos anordningen förändras med tempera- dR . .. . . . . . . . . turen, d_tr1 , ar positiv, och antingen (1) mediet befinner sig vid en temperatur d trip Tkrit, eller (ii) strömmen har ett värde ikm; och (b) om antingen (i) mediet upphettas ytterligare iust över Tkm, medan RL och spänningen hos källan hålls väsentligen konstanta eller (ii) elemen- ten i kretsen förändras ytterligare, så att den ström som flyter genom anordningen ökar till 2 x ikm, medan Tn hålls väsentligen konstant, så överstiger den hastighet med vilken anordningen alstrar värme genom lzR-upphettning hastigheten med vilken värme kan förloras från anordningen och förorsakar således att temperaturen och resistansen hos anordningen snabbt ökar och att kretsströmmen faller, tills kretsen når ett stabilt högtemperaturdriftstillstånd, vid vilket hastigheten med vilken anordningen alstrar värme genom lzR-upphettning är lika stor som den hastighet med vilken värme förloras från anordningen, och anordningen befinner sig vid en temperatur T d latch och har en resistans R d latch, som är sådan att förhållandet mellan effekten i kretsen vid det normala driftstillståndet och effekten i kretsen vid det stabila högtemperaturdriftstillstândet (vilket förhållande här kallas switchför- hållandet) är minst 8, företrädesvis minst 10.

Vid definitionen av kretsarna enligt uppfinningen ovan hänvisas till det sätt på vilket kretsarna svarar på en långsam ökning i den ström som flyter genom anordningen eller på en långsam ökning av temperaturen hos det medium som omger anordningen. Det torde emellertid stå helt klart att kretsarna enligt uppfinningen kan överföras till ett kritiskt driftstillstånd och därifrån till ett högtemperaturdriftstillstånd genom ökning av både ström och temperatur samtidigt, och att ökningen av temperatur och/eller ström inte behöver vara en långsam ökning (och i själva verket vanligtvis inte är det när det förväntade feltillstândet är en ökning av strömmen, som t.ex. förorsakas av en kortslutning eller ett spänningssprång).

Det bör noteras att i de ovan definierade kretsarna, så definieras kretsskyddsanordningen genom hänvisning till de övriga kretselementen, mediet kring anordningen och den hastighet med vilken värme kan avges från anordningen till detta medium. En kretsskyddsanordning som är användbar för många ändamål kan emellertid definieras genom hänvisning till det sätt på vilket den uppträder, när den placeras i en standardkrets och i en normal värmeom- givning. Följaktligen avser en annan aspekt av uppfinningen en kretsskyddsanord- ning, som innefattar ett PTC-element sammansatt av en PTC-komposition med en switchternperatur TS och minst två elektroder som kan anslutas till en 1 M 15 20 25 30 35 7909910-'7 4 elektrisk kraftkälla och som vid sådan anslutning får ström att flyta genom PTC- elementet, varvid anordningen är sådan att, när den befinner sig i stillastående luft och utgör en del av en testkrets som består av anordningen, en kraftkälla med en spänning, som antingen är 10 volt eller 100 volt, och ett motstånd med en vald resistans i serie med anordningen, varvid resistansen är vald så att testkretsen är vid ett kritiskt driftstillstând när den stillastående luften befinner sig vid 25°C, så har testkretsen ett normalt driftstillstând vid vilket (A) (B) (C) (D) ström flyter genom PTC-elementet över en yta med ekvivalent diameter d med en medelväglängd t så att d/t är minst 2; anordningen befinner sig vid en temperatur T dn vid vilken anordningen har en resistans Rdn mindre än l ohm och vid vilken PTC-kompositionen har en resistivitet mindre än l0 ohm.cm; luften är vid ÛOC; och det föreligger en stabil jämvikt mellan den hastighet med vilken anordningen alstrar värme genom IZR-upphettning och den hastighet med vilken värme förloras från anordningen; och varvid anordningen i testkretsen har ett sådant elektrisk effekt/temperatur- samband förmåga att avge värme till luften med en sådan hastighet att (a) (b) om luften upphettas långsamt från OOC medan motståndet och kraft- källan hålls väsentligen konstanta, temperaturen hos anordningen långsamt ökar tills kretsen når ett kritiskt driftstillstånd, vid vilket jämvikten mellan den hastighet med vilken anordningen alstrar värme genom izR-upphettning och den hastighet med vilken värme avges frân anordningen är instabil, och luften befinner sig vid en temperatur av 25°C, anordningen befinner sig vid en temperatur T d mp och har en resistans R , och den hastighet med vilken resistansen hos . d.. Vi? da . . . anordningen forándras med temperaturen, d tri , är positiv; och dT . d trip om luften sedan upphettas just över 25°C, så, överstiger hastigheten med vilken anordningen alstrar värme genom IZR-upphettning den hastighet med vilken värme kan avges från anordningen och förorsakar således att temperaturen och resistansen hos anordningen snabbt ökar och att kretsströmmen faller, tills kretsen när ett stabilt högtempera- turdriftstillstånd, vid vilket hastigheten med vilken anordningen alstrar värme genom lzR-upphettning är lika med den hastighet med vilken värme avges från anordningen, och anordningen befinner sig vid en temperatur T d latch och har en resistans Rd latch, som är sådan att förhållandet mellan effekten i kretsen i det normala driftstillståndet och effekten i kretsen i det stabila högtemperaturdriftstillståndet (switchförhållandet) är minst 8, företrädesvis minst l0. 10 15 25 30 35 7909910-7 5 Valet av resistansen hos det motstånd som skall användas i den ovan angivna testkretsen kan lättast göras genom att man placerar anordningen i stillastående luft vid 25°C, ansluter anordningen till en variabel spänningskälla och uppritar en kurva för jämviktsströmrnen mot spänningen för anordningen.

Kurvan kommer att ha en topp som definierar den maximala stationära ström som anordningen kan släppa igenom. Den valda resistansen blir då spänningen hos kraftkällan i testkretsen (dvs. lO volt eller 100 volt) dividerad med I . Många anordningar motsvarar de ovan angivna testkriterierna, när sglêiiiixingen i testkretsen är l0 volt och när den är 100 volt, men uppfinningen innefattar även anordningar som gör detta endast vid en av spänningarna och inte vid den andra.

Uppfinningen illustreras i de bifogade ritningarna, där Fig. l visar resistans/temperatur-sambandet för ett typiskt PTC- element; Fig. 2 visar en typisk krets enligt uppfinningen; Fig. 3 och ll visar effekt/temperatur-sambanden för en typisk skydds- anordning enligt uppfinningen; Fig. 5 och 6 visar typiska anordningar enligt uppfinningen; Fig. 7 visar en akvarievärmare, i vilken kretsen innefattar en skyddsanordning enligt Fig. 5; och Pig. 8 är ett kretsschema för akvarievärmaren i Fig. 7.

Uppfinningen beskrivs i det följande huvudsakligen med hänvisning till kretsar som innehåller en enda PTC-kretsskyddsanordning, men det är självklart att uppfinningen innefattar kretsar som innehåller två eller flera sådana anordningar som kan utlösas av olika felfunktioner, och att uttrycket krets- skyddsanordning används för att innefatta två eller flera elektriska anordningar kopplade parallellt och/eller i serie, vilka tillsammans ger den önskade skyddseffekten. Det bör även påpekas att uppfinningen innefattar kretsar och anordningar definierade enligt ovan, även om kretsen eller anordningen vid någon tidpunkt inte skulle uppfylla samtliga specificerade krav, t.ex. när de elektriska egenskaperna hos anordningen sådan den framställts från början är otillfreds- ställande, men senare åldringsbehandling bringar anordningen inom den ovan angivna definitionen.

I de nya kretsskyddsanordningarna är elektroderna och PTC-elementet anordnade så att strömmen flyter genom elementet över en yta med ekvivalent diameter d med en medelväglängd t, så att d/t är minst 2, företrädesvis minst 10, särskilt minst 20. Uttrycket "ekvivalent diameter" avser diametern hos en cirkel med samma yta som den yta, över vilken strömmen flyter. Denna yta kan ha godtycklig form, men för att man enkelt skall kunna tillverka anordningen är den vanligtvis cirkulär eller rektangulär. Det är vanligtvis att föredra att använda 10 15 20 25 30 35 7909910-7 6 två planelektroder med samma yta, som är placerade mitt emot varandra på vardera sidan av ett platt PTC-element med konstant tjocklek. Andra arrange- mang är emellertid möjliga för att uppfylla speciella utrymmes- eller elektriska krav, t.ex. fler än tvâ elektroder, fler än ett PTC-element, ett kilformat PTC-element eller krökta laminära elektroder med ett krökt laminärt PTC-element med konstant tjocklek mellan dem. Vid sådana arrangemang är det sätt pâ vilket d/t~ förhållandet skall beräknas uppenbart för fackmannen på området.

PTC-elementet har vanligtvis homogen sammansättning, men kan t.ex. innefatta två eller flera skikt med olika resistivitet och/eller olika switch- temperaturer. Elektroderna kan vara i direkt kontakt med PTC-elementet eller en eller flera av dem kan vara elektriskt anslutna till detsamma genom något annat ledande material, t.ex. ett skikt av en ledande polymerkomposition med relativt konstant effektförbrukning. Vid framställning av anordningen skall man se till att undvika överdriven kontaktresistans.

Elektroderna är vanligtvis av material med mycket låg resistivitet, t.ex. mindre än 10-4 ohm.cm, och med en sådan tjocklek att de inte alstrar betydande vármemängder vid drift av anordningen. Elektroderna är typiskt sett av metall, varvid nickelelektroder eller förnicklade elektroder är att föredra. För att förbättra adhesionen och minska kontaktresistansen är elektroderna företrädesvis försedda med öppningar, som emellertid är tillräckligt små för att elektroden skall ge en väsentligen ekvipotentiell yta över hela arean. Således är elektroder av sträckmetallnät eller svetsat trâdnät föredragna, varvid nätet företrädesvis har från 50 till 8096 öppen area och varvid varje öppning är från mindre än 0,13, företrädesvis 0,06 till 0,013 cmz, i vilket fall den yta över vilken strömmen flyter in i PTC-elementet vanligtvis kan betraktas som elektrodens totalyta, varvid man bortser från öppningarna i densamma.

PTC-elementet är sammansatt av ett material, som vid normalt driítstillstând hos kretsen har en resistivitet mindre än l0 ohm.cm, varvid resistiviteter mindre än 7 ohm.cm, företrädesvis mindre än 5 ohm.cm, särskilt mindre än 3 ohm.cm, speciellt mindre än l ohm.cm, är att föredra. I det normala driftstillstândet för de flesta kretsar ligger anordningens temperatur, T dn, över 25°C, och PTC-elementets resistivitet vid 25°C är mindre än 10, vanligtvis mindre än 7, företrädesvis mindre än 5, särskilt mindre än 3, speciellt mindre än 1 ohm.cm. Föredragna PTC-kompositioner är ledande polymerer, varvid det , ledande fyllmedlet i desamma företrädesvis innefattar ledande kimrök. Särskilt användbara PTC-kompositioner är sådana som anges i ovannämnda US-PS 965343.

Ju tunnare PTC-elementet är, desto större är den spänningspåkänning det måste tåla. Det är därför föredraget att PTC-materialet skall kunna tåla en 10 15 20 25 30 35 7909910-70 7 spänningsbelastriing på minst 50 volt/mm, säírskilt minst 200 volt/frun, i det stabila högtemperaturjärnviktstillståndet, och att PTC-elementet är minst 0,05 cm tjockt.

Resistansen hos anordningen vid kretsens normala driftstillstånd, häri kallat R dn, som i det enkla fallet med en anordning innefattande två metallelektroder i kontakt med PTC-elementet i första hand bestäms av resistansen hos PTC-elementet, är mindre än 1 ohm, företrädesvis mindre än 0,2 ohm, särskilt mindre än 0,1 ohm. Ju lägre spänningen från kraftkällan i kretsen är, t.ex. när den är 50 volt eller mindre, särskilt när den är 30 volt eller mindre, speciellt när den är 12 volt eller mindre, desto mer önskvärt är det att anordningen skall ha låg resistans. Med hänsyn till det ovanstående har PTC- elementet vanligtvis en tjocklek på 0,05 till 1 cm, företrädesvis 0,1 till 0,5 cm, och en ekvivalent diameter från 0,6 till 5 cm, företrädesvis 1,5 till 3,3 cm, även om väsentligt större tjocklek och/eller ekvivalenta diametrar kan användas. l den krets där anordningen används är det även nödvändigt att R d n är mindre än 0,5 x RL ohm, där RL är impedansen för den återstod av kretsen som är i serie med anordningen. R dn är företrädesvis mindre än 0,1 x RL ohm, särskilt mindre än 0,04 x RL, speciellt mindre än 0,001 x RL. RL är företrädesvis väsentligen konstant, dvs. varierar inte med mer än i 2596, i kretsens driftstemperaturom- råde. RL är vanligtvis en resistiv belastning, men kan helt eller delvis vara kapacitiv eller induktiv. Om emellertid RL inte varierar väsentligt över driftstemperaturområdet, kan anordningen skydda kretsen mot för stora varia- tioner av RL genom att skydda mot för stor ström härrörande från en minskning av RL och/eller mot för stor alstring av värme härrörande från en ökning av RL.

Som framgår av det ovanstående blir anordningens effekt låg i kretsens normala driftstillstånd och avleds lätt till omgivningen. När däremot ett feltillstånd uppstår mäste anordningens elektriska effekt först ökas snabbt, så att effekten inte kan avledas till omgivningen och därefter minska, tills ett stabilt högtemperaturdriftstillstând uppnås, vid vilket effekten kan avledas och an- ordningens resistans är tillräckligt hög för att säkerställa att kretsen är "avstängd", dvs. att strömmen i kretsen är reducerad till en lämpligt låg nivå.

Eftersom anordningens elektriska effekt beror både på dess resistans (som beror av dess temperatur) och den ström som passerar genom densamma, stänger anordningen av kretsen som svar på en för hög temperatur omkring anordningen eller för stor ström i kretsen (eller givetvis en kombination av båda). Vi har funnit att switchförhållandet, dvs. förhållandet mellan effekten i kretsen vid normalt driftstillstånd och kretsens effekt vid det stabila högtemperaturdrifts- tillståndet, för att reducera strömmen till de nivåer som krävs vid praktiska tillämpningar måste vara minst 8 och vanligtvis är minst 10, och företrädesvis är 10 15 20 25 30 35 7909910-7 8 väsentligt högre, t.ex. minst 20, företrädesvis minst #0, särskilt minst 100.

Många av anordningarna enligt uppfinningen kan användas för att skydda kretsar mot både för höga omgivningstemperaturer och för stora strömmar. För optimal funktion skall å andra sidan detaljerna i anordningen och dess värmeomgivning väljas med hänsyn till det förväntade feltillståndet, och det finns vissa kretsar och omgivningar, i vilka en given anordning fungerar i enlighet med uppfinningen som svar på en överdriven ökning av strömmen, men inte som svar på en oönskad ökning av omgivningstemperaturen, och vice versa.

Anordningarna är speciellt användbara i kretsar, som har en större ström än 0,5 ampere, t.ex. 0,5 till 4 ampere, företrädesvis 0,5 till 2,5 ampere, i det normala driftstillståndet, och kan utformas att släppa igenom stationära strömmar på upp till 15 ampere eller till och med mera.

Anordningens funktion kan lättast förklaras med hänvisning till Fig. l till li i de bifogade ritningarna. Fig. 1 visar sambandet mellan resistans och temperatur för en typisk anordning. Fig. 2 visar en typisk krets enligt uppfinningen med en elektrisk kraftkälla, en resistiv belastning RL och en PTC- skyddsanordning R d. Fig. 3 visar sambandet mellan effekt och temperatur i anordningen, när den elektriska kretsen förblir oförändrad med undantag av förändringar i anordningens resistans till följd av förändringar i omgivnings- temperaturen och lzR-uppvärmning. Fig. 3 visar även representativa belastnings- linjer Al, A2, A3, A4, Bl, B2, B3 och Bli, som anger den effekt som anordningen kan avleda genom värmeförluster under olika betingelser. Lutningen för dessa linjer (som är ungefär räta när skillnaden mellan anordningens temperatur och temperaturen för det medium som omger anordningen är mindre än IOOOC, som den vanligtvis är) beror på värmeledningsförmâgan hos mediet som omger anordningen, mediets eventuella rörelse och anordningens ytarea, och deras läge beror på temperaturen hos mediet som omger anordningen. Således är belast- ningsiinjerna Al, A2, A3 och A4 representativa för en första anordning i ett första medium vid ökande temperaturer för mediet, T 1, Tz, Ta och Tq, medan belastningslinjerna Bl, BZ, BB och 54 är representativa för t.ex. (a) samma anordning i ett andra medium som har lägre värmeiedningsförmâga än det första mediet, eller (b) en andra anordning som har samma effekt-temperaturkurva som den första anordningen, men som har en mindre ytarea än den första anordningen, och som befinner sig i det första mediet.

När anordningen har belastningslinjerna Al; A2, A3 och A14, så förblir anordningen i stabil jämvikt så länge som mediets temperatur är under TB. När emellertid mediets temperatur når den kritiska temperaturen Ta (som är den temperatur som kallas Tkrit), vid vilken punkt anordningen befinner sig vid T d trip A, blir jämvikten instabil, och varje ytterligare ökning av temperaturen hos »I 10 15 20 25 30 35 7909910-7 9 mediet tvingar anordningens effekt över toppen av P/T-kurvan, tills man när en stabil högtemperaturjämviktspunkt. Om t.ex. mediets temperatur endast ökar mycket obetydligt, så uppnås en stabil jämvikt vid den punkt där belastningslinjen A3 skär effekt-temperatur-kurvan på andra sidan av kurvans topp, dvs. när anordningen befinner sig vid temperaturen Td latch A. Om mediets temperatur fortsätter att öka till TÅ så uppnås jämvikt när anordningen är vid en högre temperatur, T d latch A4. Man ser att när anordningen väl tvingats in i det stabila jämviktstillståndet med hög resistans och hög temperatur, så återgår den inte till sitt lågresistanstillstånd (dvs. den fortsätter att förhindra att någon väsentlig ström flyter i kretsen), såvida inte mediets temperatur faller under temperaturen Tz, som ligger väsentligt under mediets temperatur Tkm, som fick anordningen att först lösa ut. Följaktligen sägs anordningen vara i ett "låst" (latched) tillstånd. Anordningen kan även tvingas att återställas, dvs. att återgå till sitt lågresistanstillstând, genom att man kraftigt ökar den hastighet med vilken anordningen avger värme till sin omgivning. I allmänhet utformas och drivs emellertid anordningarna enligt uppfinningen så att, om läsning av anordningen sker, återställning uppnås genom att man slår av strömmen och tillåter anordningen att svalna.

Funktionen av en anordning med belastningslinjer Bl, B2, BB och Bli kan förklaras på liknande sätt. Man ser att för dessa belastningslinjer, så utlöses anordningen när temperaturen hos det medium som omger anordningen når Tz (som är väsentligt under T3), där anordningens temperatur är T d trip B (som ligger väsentligt under T d trip A). I Fig. li visar representativa efíekt/temperatur-kurvor P och P och belastningslinier A och B för en typisk anordning enligt uppfinningen. P är effekt/temperatur-kurvan för anordningen, när den elektriska kretsen förblir oförändrad med undantag av förändringar i anordningens resistans beroende på förändringar i omgivningstemperatur och/eller lzR-upphettning. Under normala driftsbetingelser, med en omgivningstemperatur T, blir anordningens temperatur T (m, om anordningen har belastningslinjen A och Tdß om anordningen har belastningslinjen B. Pl är effekt/temperatur-kurvan för anordningen vid en ström som är mycket högre än strömmen vid det normala driftstillståndet. Om ett elektriskt tel, t.ex. en kortslutning av RL eller ett spänningssprâng, får strömmen genom anordningen att öka plötsligt, så blir anordningens effekt nästan ögonblickligen P A om anordningen har belastningslinjen A och PB om anordningen har belastningslinjen B. Således ökar anordningens effekt till en mycket hög nivå och avtar sedan allt eftersom anordningens temperatur (och därför resistans) ökar, tills jämvikt uppnås när belastningslinjen skär effekt/tern- 10 l5 20 25 30 35 7909910-7 10 peratur-kurvan. Man kan notera, att om anordningen har belastningslinjen A, så får eliminering av kortslutningen kretsen att återgå till sitt tidigare normala driftstillstånd med anordningen vid T d A. Om å andra sidan anordningen har belastningslinjen B, är anordningen låst, dvs. eliminering av kortslutningen förorsakar endast en liten minskning av anordningens temperatur till T dB, och en motsvarande liten minskning i anordningens effekt, och återställer inte de tidigare normala driftstillstånden.

Vid många viktiga användningar för anordningar enligt föreliggande uppfinning är det viktigt att anordningen fortsätter att arbeta på väsentligen samma sätt över mer eller mindre utsträckta tidsperioder, även när åldring äger rum med anordningen i högtemperaturtillståndet med hög resistans. I föredragna kretsar enligt uppfinningen har anordningen, sedan kretsen utsatts för en åldringsbehandlíng som består i att man driver anordningen i 10 timmar med anordningen vid högtemperaturjämviktspunkten, slår av strömmen, låter an- ordningen svalna till väsentligt under T dn och minskar mediets temperatur till väsentligt under Tn, ett sådant elektriskt effekt/temperatur-samband att kretsen har ett normalt driftstillstånd såsom det definierats, når en instabil jämvikts- punkt såsom den definierats, när mediet långsamt uppvärms från T n, vid vilken instabila jämviktspunkt mediet har en temperatur Tkrit / 10 som ligger mellan (Tk n-zofc och (Tk rit+1o)°c, företrädesvis mellan (Tkm-sfc och (rkm +5) C, och uppnår en stabil högtemperaturjämviktspunkt såsom den definierats, när mediet uppvärms över Tkrit/lo. Det är även föredraget att anordningen, efter åldringsbehandlingen, har en resistans i den åldrade kretsens normala driftstillstånd R dn lm mellan 0,5 x R dn och 3 x R dn, företrädesvis mellan 0,7 x R dn och 1,5 x R dn. Då det förväntas att anordningen skall tillbringa långa perioder i det utlösta tillståndet, är det föredraget att det föreligger ett liknande bibehållande av anordningens egenskaper efter 100 timmars åldring enligt ovan.

Det har även befunnits att anordningarna har förbättrad prestandalik- formighet, om anordningen är sådan att vid varje temperatur mellan Tn och T d mp värdet av storheten i x dR R HT där R är anordningens resistans i ohm och T är anordningens temperatur, inte förändras med mer än ï 50%, företrädesvis inte med mer än i 2596, när anordningen utsätts för en åldringsbehandling, som består i att man driver kretsen i 10 timmar, företrädesvis 100 timmar, med anordningen vid högtempera- turjämviktspunkten, slår ifrån strömmen och låter anordningen svalna till väsentligt under T d n. vi 10 20 25 30 35 7909910-7 ll Det sätt på vilket anordningen arbetar beror delvis på den hastighet med vilken värme kan bortföras från densamma. Denna hastighet beror på anordningens värmeöverföringskoefficient, och man har funnit att anordningen i allmänhet skall ha en värmeöverföringskoefficient, mätt i stillastående luft och tagen i genomsnitt över anordningens totala ytarea, på 2,5 till 6 milliwatt/grad C.c:m2, företrädesvis 2,5 till 5 milliwatt/grad C.cm2. Anordningens optimala termiska utformning beror på det feltillstând den är avsedd att skydda mot. I de flesta fall skall anordningen reagera så snabbt som möjligt på feltillständet.

Således skall en anordning, som är avsedd att skydda mot en termisk överbelastning, företrädesvis vara i god värmekontakt med det medium den omges-av, medan en anordning, som är avsedd att skydda mot överström, företrädesvis skall vara relativt värmeisolerad. För att skydda mot värmeöverbe- lastningar skall anordningen vara termiskt kopplad till det ställe där Överskotts- värmet bildas.

Kretsskyddsanordningen enligt uppfinningen innefattar vanligtvis en elektriskt isolerande mantel, som omger PTC-elementet och elektroderna och genom vilken ledningarna till elektroderna går. Denna mantel påverkar också *änordningens värmeegenskaper, och dess tjocklek väljs i enlighet härmed. iñföreträdesvis innefattar anordningen ett syrebarriärskikt som beskrivs i den ovan nämnda SE-PS 7909911-5.

Kretsarna enligt uppfinningen kan innehålla någon annan kretsskyddsan- ordning, t.ex. en konventionell termostat- eller bimetallomkopplare, som kan vara avsedd att skydda kretsen mot samma feltillstând som PTC-anordningen eller ett annat. Då den konventionella anordningen och PTC-anordningen är avsedda att skydda mot samma feltillstånd, är PTC-anordningen vanligtvis sådan att den träder i funktion endast om den andra anordningen inte fungerar. Kraft- källan kan vara en likströmskälla, t.ex. en eller flera l2 volt batterier, eller en växelströmkälla, t.ex. 110 volt eller 220 volt.

För att övergå till Fig. 5 och 6 är dessa tvärsektionsvyer av anordningarna enligt uppfinningen. Anordningen i Fig. 5 innefattar ett PTC- element l i form av en rund skiva, som har runda nätelektroder 2 inbäddade i motstående ytor av densamma. Ledningar 4 är fästa vid elektroderna 2, och ett syrebarriärskikt 3 inkapslar PTC-elementet 1 och elektroderna 2 med ledningarna 4 passerande därigenom. Gränsytan mellan barriärskiktet 3 och PTC-elementet l är i huvudsak fri från stora håligheter. Anordningen i Fig. 6 är samma som anordningen i Fig. 5, med undantag av att var och en av elektroderna är inbäddade i ett skikt 5 av en ledande polymerkompositíon med relativt konstant effektförbrukning. 10 15 20 25 30 35 7909910-7 12 Fig. 7 och 8 visar en vy av en akvarievärmare innefattande en kretsskyddsanordning enligt uppfinningen resp. ett kretsschema för akvarie- värmaren. En kretsskyddsanordning ll, såsom visas i Fig. 5, är seriekopplad med en trådlindad värmare 12, som innefattar resistansvärmetrådar 121 lindade kring en ihålig keramisk kärna 122, och en bimetalltermostat 13, som inställs med hjälp av en räfflad knopp 131, så att den öppnar när temperaturen hos luften kring den överstiger en temperatur i området 25 till 45°C. En kondensator 132 är parallellkopplad med termostaten 13. En stickpropp 15 möjliggör anslutning av värmaren 12 till en 120 volt växelströmskälla (ej visad). En lampa 16 och ett motstånd 17 (ej visade i Fig. 7) är parallellkopplade med värmaren 12 och anordningen 11 så att lampan 16 är tänd, när växelströmseffekt tillförs via stickproppen 15. En lampa 18 och ett motstånd 19 är parallellkopplade med anordningen ll, så att lampan 18 är tänd, när anordningen befinner sig i hög- temperaturjämviktstillståndet, men inte när akvarievärmaren är i det normala driftstillståndet. De olika komponenter som angivits ovan är fästa i ett format plastlock 20 med ett nedåtsträckt ramparti 201, så att de kan införas i ett rörformat glashölje 21, vid vars överdel en formad plastdel 22 är fäst som matchar locket 20 och i vars underdel finns glasull 11:-. Även en skyddande formad plastring 23 är fäst vid glashöljet 21.

Akvarievärmaren i Fig. 7 och 8 är densamma som en känd akvarie- värmare med undantag av tillsatsen av anordningen ll, lampan 18 och motståndet 19.

När bottenpartiet av akvarievärmaren i Fig. 7 och 8 nedsänks i vatten i och sedan ansluts till en 120 volt växelströmskälla, avleds det värme som alstras av värmaren 12 till vattnet, så att termostaten 13 växlar mellan det öppna och det slutna läget som svar på temperaturen kring densamma, och anordningen 11 förblir i ett lågresistanstillstånd. Om värmaren avlägsnas ur vattnet, upphettas luften innanför glashöljet snabbt, och förutsatt att termostaten 13 fungerar korrekt, öppnar den så att ström inte längre flyter i kretsen, och anordningen ll blir kvar i ett lågresistanstillstånd. Bimetalltermostater är emellertid inte helt driftssäkra, och om de klickar, så klickar de ofta i det slutna läget. Således kan de kända värmarna, som inte har anordningen 11, överhetta glashöljet om termostaten klickar, så att höljet spricker när det åter nedsänks i vatten och kan till och med förorsaka eldsvådor. Om emellertid bimetalltermostaten klickar i akvarievärmaren i Fig. 7 och 8, så fortsätter luften innanför höljet att-öka i temperatur, tills anordningen 11 fås att lösa ut, vilket således minskar kretsströmmen till en mycket låg nivå, vid vilken värmaren 12 inte alstrar något betydande värme. _ Uppfinningen belyses i de följande egcemplen. . _-..._ ___.- _ _. 10 15 20 25 30 35 7909910-7 13 Exempel l Man tillverkade en kretsskyddsanordning enligt Figur 5 med användning av det förfarande som beskrivs i Exempel 2 i den ovan nämnda SE-PS 7909911-5. Anordningen innefattade ett PT C-element i form av en skiva med diametern (d) 19 mm och tjockleken 2 mm, med en elektrod av förnicklat kopparnät inbäddad i varje yta, vilket gav en effektiv tjocklek mellan elektroderna (t) på ca 1,5 mm (dvs. d/t ungefär 12). sammansatt av en dispersion av kimrök i en blandning av HD-polyeten och en PTC-elementet var eten/akrylsyra-sampolymer. Anordningens resistans var ca 0,1 ohm vid 25°C, och anordningen hade en maximal passerström (I max) på ca 2,5 ampere (med anordningen i stillastående luft vid 25°C).

Anordningen inbyggdes i en akvarievärmare såsom visas i Fig. 7, som sedan placerades i vatten och anslöts till en 120 volt växelströmkälla.

Resistansen hos den trâdlindade värmaren var 1444 ohm. Med underdelen av akvarievärmaren i vattnet, dvs. under normala driftsbetingelser, var strömmen i kretsen 0,83 ampere, anordningens temperatur (T dn) var mindre än 50°C och anordningens resistans (R dn) var mindre än 0,2 ohm. Akvarievärmaren avlägsna- des ur vattnet och placerades i luft, och termostaten lästes permanent i det slutna läget för att simulera felfunktion hos densamma. Det värme som alstrades av den trâdlindade värmaren fick temperaturen innanför glashöljet att snabbt stiga till ca 80°C (Tkrit), vid vilken punkt resistansen hos anordningen (R d mp) var ca 0,3 ohm, anordningens temperatur (T d mp) var ca 90°C, och den hastighet med vilken anordningen alstrade värme genom l R-upphettning översteg den hastighet med vilken anordningen kunde avleda värme. Anordningens temperatur steg sedan snabbt, tills den stabila högtemperaturjämviktspunkten uppnåddes, vid vilken anordningen kunde avge det värme som alstrades genom lzR-upphettning.

Vid denna punkt hade anordningen en temperatur (Td latch) på ca l25°C och en resistans (R d latch) på ca 7200 ohm, och kretsströmmen var ca 0,02 ampere, så att den trâdlindade värmaren inte längre alstrade någon betydande värmemängd.

Switchförhållandet var ca 50. Anordningen var i det låsta tillståndet, så att strömmen i kretsen förblev ytterst låg, trots att den trådlindade värmaren inte längre alstrade värme. Genom att slå ifrån strömmen och låta anordningen svalna till rumstemperatur âterställde man akvarievärmaren till sitt ursprungliga tillstånd. šsetfæslê En anordning sådan den beskrivs i Exempel l placerades i en krets bestående av anordningen, ett motstånd på 144 ohm i serie med anordningen, och en l20 volt växelströmskälla. Denna krets, som elektriskt väsentligen var

Claims (10)

1. 7909910-7 10 15 20 25 14 densamma som den i Exempel l använda kretsen, hade ett liknande normalt driftstillstånd. En kortslutning anordnades runt motståndet, så att belastningen i serie med anordningen minskades till l ohm, vilket sålunda ökade strömmen till ca 20 ampere. Anordningens effekt steg till ca 1500 watt nästan ögonblickligen och avtog sedan, allt eftersom anordningen blev het och dess resistans ökade, tills högtemperaturjämviktspunkten uppnåddes. Som i Exempel I var switch- förhållandet ca 50, och anordningen befann sig i det låsta tillståndet. PATENTKRAV l. Kretsskyddsanordning innefattande ett element med positiv temperatur- koefficient sammansatt av en komposition med positiv temperaturkoefficient med en switchternperatur T s och minst två elektroder, som kan anslutas till en elektrisk kraftkälla och som vid sådan anslutning låter ström flyta genom nämnda element med positiv temperaturkoefficient, varvid anordningen är avpassad att ingå i en testkrets som dessutom består av en elektrisk kraitkälla och andra kretselement, som är anslutna i serie med elementet med positiv temperatur- koefíicient och som har en impedans RL ohm, och sålunda bilda en krets som har (a) ett normalt driftstillstând, i vilket det föreligger en stabil jämvikt mellan den hastighet med vilken anordningen alstrar värme genom I R-upphettning och den hastighet med vilken värme förloras från anordningen, (b) ett kritiskt driftstill- stånd, som förorsakas av en ökning av temperaturen hos det medium som omger anordningen eller en ökning av den ström som flyter genom anordningen eller bådadera, i vilket kritiska driftstillstånd (i) det föreligger en instabil jämvikt mellan den hastighet med vilken anordningen alstrar värme genom lzR- upphettning och den hastighet med vilken värme förloras från anordningen, och (ii) den hastighet med vilken resistansen hos anordningen förändras med temperaturen är positiv, så att en ytterligare ökning av temperaturen hos det medium som omger anordningen eller av den ström som flyter genom anordningen får anordningens resistans att snabbt öka och kretsströmmen att minska, och (c) ett stabilt högtemperaturdriitstillstånd som intas av kretsen, när resistansen hos anordningen ökar från det kritiska driftstillståndet och i vilket det föreligger en 10 20 25 30 35 7909910-7 15 stabil jämvikt mellan den hastighet med vilken anordningen alstrar värme genom IZR-upphettning och den hastighet med vilken värme förloras från anordningen, k ä n n e t e c k n a d av att när kraftkällan i testkretsen är antingen lO volt eller 100 volt, anordningen befinner sig i stillastående luft och RL är valt så att den stillastående luften är vid 25°C i det kritiska driftstillståndet hos testkretsen, så befinner sig kretsen, när den stillastående luften är vid OOC, i ett normalt driftstillstând, i vilket (A) ström flyter genom elementet med positiv temperaturkoefficient över en yta med ekvivalent diameter d med en medelväglängd t så att d/t är minst 2, och (B) anordningen befinner sig vid en temperatur T dn, vid vilken anordningen har en resistans R d n mindre än l ohm och vid vilken kompositionen med positiv temperaturkoefiicient har en resistivitet mindre än 10 ohm.cm, och i det stabila högtemperaturdriftstillstândet för kretsen, anordningen befinner sig vid en temperatur Td latch och har en resistans R d latch, som är sådan att förhållandet mellan effekten i kretsen i det normala driftstillståndet och effekten i kretsen vid det stabila högtemperaturdriftstillstândet, switch- förhållandet, är minst 8.

2. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att elementet med positiv temperaturkoefficient är sammansatt av en komposition erhållen genom ett förfarande som innefattar dispergering av ledande kimrök i en polymer.

3. Anordning enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att kompositionen tål en spänningsbelastning på minst 200 volt/millimeter vid Td latch.

4. Användning av en kretsskyddsanordning enligt något av patentkraven l- 3 i en elektrisk krets innefattande en elektrisk kraftkälla och andra kretselement som är seriekopplade med elementet med positiv temperaturkoeíficient och som har impedensen RL ohm.

5. Användning enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d av att R d n är mindre än 0,1 x RL, varvid swítchförhållan- det är minst 10, och att elementet med positiv temperaturkoefficient är sammansatt av en komposition, som har en resistivitet vid T dn mindre än 5 ohm.cm.

6. Användning enligt patentkravet l:- eller 5, 10 15 20 25 7909910-7 16 k ä n n e t e c k n a d av att switchförhållandet är minst 40. -

7. Användning enligt något av patentkraven 14-6, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen i det stabila högtemperaturdriftstill- ståndet ar vid en temperatur T d latch och har en resistans Rd latch, och R d latch är mindre än resistansen hos anordningen vid samtliga temperaturer mellan Td latch °ch (Td latch + jmoc'

8. Användning enligt något av patentkraven 14-7, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen i det stabila högtemperaturdriítstill- ståndet är vid en temperatur T d latch och har en resistans R d latch, och att anordningen har en resistans vid en temperatur över T d latch som är minst tio ' šåmše' Ra inch' \ ä.

9. Användning enligt något av patentkraven 4-8, k ä n n e t e c k n a d av att kretsen fortfarande har normalt driftstillstând, kritiskt driítstillstånd och stabilt högtemperaturdriftstillstånd efter det att kretsen âldrats genom att man håller kretsen i det stabila högtemperaturdritts- tillståndet i 10 timmar, slår ifrån strömmen och låter anordningen svalna till en temperatur väsentligt under T dn.

10. Användning enligt något av patentkraven 4-9, k ä n n e t e c k n a d av att vid varje temperatur mellan T dn och anordningens temperatur i det kritiska driftstillstândet, så förändras inte värdet på storheten å x gå (där R är resistansen hos anordningen i ohm och T är temperaturen hos anordningen) med mer än i' 50%, när anordningen utsätts för en àldringsbehand- ling, som består i att man driver kretsen i' 100 timmar i det stabila högtemperaturdriftstillstândet, slår ifrån strömmen och låter anordningen svalna till väsentligt under T dn.