SE467513B - Ptc-element - Google Patents

Description

467 515 2 Enligt den föreliggande uppfinningen har det visat sig möjligt att mot- verka eller helt eliminera ovan beskrivna ogynnsamma förloppen vid PTC- elementens funktion och att åstadkomma ett PTC-element som efter övergång från lågresistivt eller högresistivt tillstånd återgår till initial- resistansen, och som är återanvändbart även sedan det utsatts för kort- slutningsströmmar. Vidare ändrar PTC-elementet sin resistans vid en lägre energiutveckling, dvs dess strömbegränsningsegenskaper förbättras. En ytterligare viktig egenskap hos ett PTC-element enligt uppfinningen är att det kräver ett extremt litet utrymme.

Enligt uppfinningen uppnås detta resultat genom att åtminstone en elekt- risk kontakt mellan en elektrod och en kropp av elektriskt ledande poly- merkompoisition eller mellan två kroppar av elektriskt ledande polymerkom- position i PTC-elementet åstadkommes genom att elektroden fritt anligger mot den nämnda kroppen resp att de nämnda kropparna fritt anligger mot varandra under det att en tryckanordning ombesörjer att ett vinkelrätt mot ifrågavarande kontaktyta riktat tryck upprätthålles samt genom att krop- pens resp kropparnas kontaktytor med elektroder resp med varandra är kon- centriska.

Närmare bestämt avser den föreliggande uppfinningen ett PTC-element inne- fattande en med två koncentriska ytor försedd kropp av en elektriskt led- ande polymerkomposition med positiv temperaturkoefficient, i vilken de koncentriska ytorna på kroppen av polymerkomposition eller en av de kon- centriska ytorna på kroppen av polymerkomposition och en av de koncent- riska ytorna på en annan i PTC-elementet ingående eller på en av flera andra i PTC-elementet ingående koncentriskt med nämnda kropp anordnad kropp av samma eller annan elektriskt ledande polymerkomposition med positiv temperaturkoefficient är anordnade i elektrisk kontakt med i PTC-elementet ingående elektroder för ledande av ström genom kroppen resp kropparna av polymerkomposition, kännetecknad av att kroppen av polymer- komposition, om endast en sådan kropp ingår i PTC-elementet, med åtmins- tone en av sina koncentriska ytor är anordnad att fritt anligga mot en av elektroderna, resp minst en av kropparna av polymerkomposition, om mer än en sådan ingår i PTC-elementet, med åtminstone en av sina koncentriska ytor anordnad att fritt anligga mot en av elektroderna eller mot den andra kroppen resp en av de andra kropparna av polymerkomposition_samt att elektroderna och kroppen resp kropparna av polymerkomposition med en tryckanordning är tryckta mot varandra med ett vinkelrätt mot de koncent- riska ytorna på kroppen resp kropparna av polymerkomposition riktat tryck. 3 467 513 En tänkbar förklaring till det enligt uppfinningen uppnådda resultatet kan vara följande. Vid normal strömgenomgång upprätthålles en låg övergångs- resistans mellan de element som bildar kontakt med varandra enbart genom anliggning på grund av det tryck, som utövas mot anliggningsytan. Vid kortslutningsströmmar uppträder elektrodynamiska repulsionskrafter mellan de element, som anligger mot varandra, vilket leder till en separation av elementen och därmed till att antalet kontaktpunkter mellan elektrod och ledande partiklar i däremot anliggande kropp av polymerkompositionen eller mellan ledande partiklar i mot varandra anliggande kroppar av polymerkom- positionen minskar. Detta leder till en strömkoncentration i kvarvarande kontaktpunkter, vilket gör att smälta faser uppträder i polymerkomposi- tionen vid anliggningsytan och PTC-elementet trippar vid anliggningsytan utan att polymerkompositionen i övrigt utsättes för någon påkänning med åtföljande ogynnsamma effekter. Genom att trycket mot anliggningsytan ligger kvar, då denna ännu efter kortslutningen är varm, kan ursprunglig kontakt och ursprunglig övergångsresistans återbildas mellan de mot var- andra anliggande elementen.

Polymerkompositionen kan vara av känt slag och dess sammansättning eller beståndsdelar utgör ingen del av den föreliggande uppfinningen. Polymer- materialet kan sålunda bestå av i tidigare kända polymerkompositioner med PTC-beteende använda termoplaster, elaster, härdplaster eller blandningar av dessa. Som exempel på lämpliga polymermaterial kan särskilt nämnas polyolefiner såsom polyeten, tvärbunden polyeten, polypropen, polyßuten samt sampolymerer av eten och propen. Polymermaterialet har företrädesvis en kristallinitet av minst 5 X. Det ledande pulverformiga materialet be- står företrädesvis av ledande kimrök, ledande sot eller ledande carbon black. I och för sig är det dock möjligt att tillsammans med eller i stället för det nämnda pulverformiga materialet använda ledande partiklar av annat slag, såsom partiklar av metalliska material, t ex nickel, kobolt, koppar och silver. Lämplig partikelstorlek hos det pulverformiga materialet är 0,01-10 pm och lämplig halt av det pulverformiga fyllmedlet är 10-60 procent av den sammanlagda volymen av det pulverformiga fyllmed- let och polymermaterialet. Polymerkompositionens resistivitet ligger före- trädevis inom området 10 mQcm -100_Qcm och har förmåga att efter omslag uppvisa en resistivitet av 1 Qcm-1 kQcm. Om mer än en kropp av elekt- riskt ledande polymerkomposition ingår i PTC-elementet kan kropparna vara av samma eller olika polymerkomposition och då med samma eller olika re- sistivitet. 467 515 i* I de utföringsformer av den föreliggande uppfinningen, där åtminstone en av elektroderna är fast förankrad vid en kropp av ledande polymerkompo- sition kan en sådan resp sådana elektroder vara av konventionellt slag. De kan bestå av metallfolier eller av tunna metallplåtar eller metallnät som är valsade på polymerkompositionen i uppvärmt tillstånd eller på annat sätt fixerade vid denna, såsom genom påsprutning eller påångning. Vanligen har den mot polymerkompositionen vända ytan en oregelbunden struktur.

Elektroderna kan också bestå av en kombination av två eller flera element t ex en tunn folie av nickel och en vid denna fixerad tjockare platta av koppar. Enligt en utföringsform av den föreliggande uppfinningen kan sådana fast fixerade elektroder bestå av en tät platta eller folie av metall, vilken på den mot polymerkompositionen vända sidan är belagd med ett genom termisk sprutning, såsom plasmasprutning, flamsprutning eller ljusbågssprutning applicerat skikt av metall med oregelbunden ytstruktur innefattande utskjutande partier med en höjd av 1-50 pm och en bredd av 1-50 pm.

I de utföringsformer av den föreliggande uppfinningen där åtminstone en av elektroderna anligger fritt mot en kropp av ledande polymerkomposition kan en sådan elektrod, i sig själv, dvs bortsett från att den inte är fixerad till kroppen av ledande polymerkomposition, vara av samma slag som anges i föregående stycke. Den kan också bestå av en mer eller mindre tjock platta med en mot kroppen av ledande polymerkomposition vänd yta med jämn struk- tur. Det är i och för sig också tänkbart att använda andra välledande ma- terial än metalliska material i elektroderna, såsom polymermaterial inne- hållande mycket höga halter av elektriskt ledande pulverformiga fyllmedel, såsom ledande kimrök, ledande sot eller ledande carbon black, koppar eller nickel.

Elektroderna är koncentriska med de koncentriska ytorna på kroppen resp kropparna av polymerkomposition.

Det tryck som upprätthålles mellan elektroderna och de koncentriska ytorna på kroppen resp kropparna av polymerkomposition uppgår företrädesvis till minst 0,1 MPa. Speciellt föredrages ett tryck av 0,1 MPa-10 MPa. 5 467 513 Enligt en särskilt föredragen utföringsform av uppfinningen är den för utövande av trycket använda tryckanordningen försedd med tryckutövande anordningar med förmåga att fjädra. En sådan utformning av tryckanord- ningen underlättar markant en separation av mot varandra fritt anliggande elektrod och kropp av polymerkomposition resp av mot varandra fritt anliggande kroppar av polymerkomposition vid kortslutningsströmmar.

Uppfinningen skall närmare förklaras genom beskrivning av utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritning, i vilken fig 1 visar en kurva över resistiviteten som funktion av temperaturen för en elektriskt ledande polymerkomposition ingående i ett PTC-element enligt den föreliggande upp- finningen, fig 2 och 3 PTC-element bestående av två koncentriska elektro- der och en rörformig resp två rörformiga koncentriska kroppar av elekt- riskt ledande polymerkomposition anordnade mellan elektroderna, samt med en tryckanordning innefattande en innanför den inre elektroden anordnad expanderbar kropp och ett utanför den yttre elektroden anordnat mothåll, fig U en modifikation av PTC-elementet enligt fig 2, fig 5 ett PTC-element enligt den föreliggande uppfinningen med en tryckanordning innefattande en utanför den yttre elektroden anordnad drag- eller klämanordning, fig 6 en modifikation av PTC-elementet enligt fig 5 och fig 7 ett kopplingsschema för en anordning, där PTC-elementet enligt uppfinningen användes som över- strömsskydd. - Fig 1 visar resistiviteten R som funktionfav temperaturen T för den elekt- riskt ledande polymerkompositionen som ingår i ett PTC-element enligt den föreliggande uppfinningen. Tt är den temperatur, omslagstemperaturen, då polymerkompositionen övergår från ett lågresistivt till ett högresistivt tillstånd.

PTC-elementet enligt fig 2 innehåller en rörformad kropp 10 av en elekt- riskt ledande polymerkomposition med positiv temperaturkoefficient, t ex bestående av 67 volymprocent polyeten och 33 volymprocent kimrök. Den inre cylindriska mantelytan är betecknad 10' och den yttre likaledes cylind- riska mantelytan betecknad 10". I ett tvärsnitt vinkelrätt mot den rör- formade kroppens centrumlinje bildar var och en av mantelytorna en cirkel.

Väggtjockleken hos den rörformade kroppen uppgår till 1 mm. PTC-elementet har också två elektroder 11 och 12 som är anordnade i kontakt med mantel- ytorna 10' och 10" och koncentriska med dem. Elektroderna är försedda med anslutningar 13 resp 14. Elektroden 11 består av ett 0,5 mm tjockt rör av 467 515 nickel med jämn ytstruktur på båda sidor. På utsidan är röret överdraget med ett tunt skikt av koppar. Röret är uppslitsat i längsriktningen så att den ena kanten vid slitsen kan glida över den andra. Elektroden 11 bildar kontakt med kroppen 10 enbart genom att anligga mot kroppen längs mantel- ytan 10' under tryck, dvs den är inte fixerad vid kroppen. Elektroden 12 består av en 0,3 mm tjock kopparfolie vilken på den mot kroppen 10 vända sidan är belagd med ett genom plasmasprutning applicerat 0,1 mm tjockt skikt av koppar med ojämn ytstruktur. Elektroden 12 är fäst vid polymeren genom att den pressats mot kroppen 10, sedan denna värmts upp så att polymermaterialet i flytande tillstånd kan tränga in i ojämnheter i den inåtvända sidan på elektroden. Innanför elektroden 11 är anordnad en kropp 31, som är expanderbar i en riktning vinkelrätt mot mantelytan 10' och elektroden 11 och utanför elektroden 12 ett mothåll 32, t ex i form av rör av glasfiberarmerad plast, som tillverkats på platsen, t ex genom att glasfibermaterialet och plasten i ohärdat tillstånd applicerats på elekt- roden 12, och plasten därefter härdats. Den expanderbara kroppen 31 består i det exemplifierade fallet av en rörformig kropp 31a av gummi eller annat elastiskt material, som med en däri centralt anordnad bult 31b med skalle 31c och mutter 31d och med vid ändytorna, innanför bultskallen och muttern anordnade brickor 31e och 31f kan bringas att expandera under åstadkomm- ande av ett önskat tryck mot elektroden 11. I stället för att förse PTC-elementet med ett separat mothåll kan elektroden 12 utformas som ett rör med tillräcklig tjocklek för att självt tjänstgöra som mothåll såsom t ex i form av ett rör av koppar som på platsen dragits ner till avsedd dimension för att anligga direkt mot mantelytan 10" på kroppen 10. Därvid är PTC-elementets båda elektroder anordnade att under tryck fritt anligga mot mantelytorna 10' och 10" på kroppen 10. Ett sådant kopparrör kan alternativt vara anordnat att enbart tjänstgöra som mothåll och då anligga mot elektroden 12. Även vid användning av ett separat mothåll kan elekt- roden 12 i stället för att vara fixerad till kroppen 10 vara anordnad att fritt anligga mot kroppen 10. På analogt sätt som ett kopparrör kan en hylsa av minnesmetall användas som separat mothåll eller både som mothåll och elektrod, varvid hylsan i expanderat tillstånd anordnas på plats om- kring PTC-elementet och därefter bringas att återtaga sin för expansionen mindre diameter. Om den expanderbara kroppen 31 består av en kropp av metalliskt material kan det vara lämpligt eller erforderligt att anordna ett skikt av gummi eller annat elektriskt isolerande material mellan den expanderbara kroppen och elektroden 11. f\ m; 7 467 515 I anordningen enligt fig 3 ingår två kroppar lOa och 10b, av samma elekt- riskt ledande polymerkomposition som den i kroppen 10 i fig 1, i form av koncentriska rör med en väggtjocklek av 1 mm. De koncentriska mantelytorna är betecknade lOa' och 10a" resp 10b' och 10b". De båda kropparna lOa och 10b bildar kontakt med varandra enbart genom anliggning under tryck, dvs utan att vara hopsmälta eller på annat sätt fixerade vid varandra.

Elektroderna 11 och 12 kan vara av samma slag som elektroderna 11 och 12 i fig 1. Elektroden 11 kan emellertid också vara av samma slag som elektro- den 12 i det först exemplifierade fallet, då denna är fixerad till kroppen av polymerkomposition och således vara fixerad vid kroppen 10a. I anord- ningen enligt fig 3 kan kroppen lOa och 10b vara av olika elektriskt led- ande polymerkomposition och ha olika resistivitet för att modifiera PTC-elementets egenskaper. Anordningen kan också modifieras, så att den innehåller mer än två koncentriska kroppar (lOa och lOb) av ledande poly- merkomposition med samma eller olika resistivitet. Om elektroderna är fixerade till närbelägna kroppar av elektriskt ledande polymerkomposition måste åtminstone en av kropparna därvid anligga fritt mot en annan av kropparna. Om den ena eller båda av elektroderna anligger fritt mot en närbelägen kropp av elektriskt ledande polymerkomposition kan alla poly- merkropparna vara fixerade till varandra, t ex genom hopsmältning. Anord- ningen 31 med dess delar för att hålla elektroderna 11 och 12 och kroppar- na lOa och 10b tryckta mot varandra i PTC-elementet enligt fig 3 är i det exemplifierade fallet densamma som den i PTC-elementet enligt fig 2.

PTC-elementet enligt fig 4 skiljer sig från PTC-elementet enligt fig 2 genom att ett 1 mm tjockt skikt 33 av gummi eller annat elastiskt material är anordnat mellan elektroden 12 och mothållet 32 för att öka de tryckut- övande delarnas förmåga att fjädra. Elektroden 12 kan såsom i fallet en- ligt fig 2 i stället för att vara fixerad vid kroppen 10, bilda kontakt med kroppen 10 enbart genom att anligga mot kroppen längs mantelytan 10".

I anordningen enligt fig 5 består elektroden av en massiv tråd av koppar eller nickel med ett tunt överdrag av nickel. Elektroden 11 bildar kontakt med kroppen 10 enbart genom att anligga mot kroppen längs mantelytan 10'.

Kroppen 10 och elektroden 12 är av samma slag som motsvarande element i anordningen enligt fig 2. Elektroderna 11 och 12 och kroppen 10 hàlles tryckta mot varandra med en drag- eller klämanordning BR, som t ex kan bestå av en omkring elektroden 12 med ett icke visat mellanliggande elas- tiskt isolerande skikt anordnad plåt 34a, som är anordnad med överlappandel

Claims (13)

4-67 515 8 kanter i kroppens 10 axelriktning, så att diametern på den rörformiga kropp som plåten bildar, kan minskas genom åtdragning av en skruvanordning 34b, på analogt sätt som för en slangklämma eller genom hoppressning av två backar med invändigt halvcylindrisk form i en mot kroppens 10 mantel- ytor 10' och 10" vinkelrät riktning. Elektroden 11 tjänstgör i det illustrerade fallet själv som mothåll. Det är givetvis möjligt att i stäl- let för att i enlighet med fig 5 använda en elektrod 11 i form av en mas- siv tråd använda en elektrod 11 i form av ett skikt av i fig 2-U illustre- rat slag och ett innanför en sådan elektrod anordnat mothâll i form av en stum kropp eller en elastisk anordning t ex av det slag som är betecknat 31 i fig 2-4. PTC-elementet enligt fig 6 skiljer sig från PTC-elementet enligt fig 5 genom att ett 1 mm tjockt skikt 33 av gummi eller annat elastiskt material är anordnat mellan elektroden 12 och plåten Süa för att öka de tryckut- övande delarnas förmåga att fjädra. I stället för drag- eller klämanord- ningen SÅ är det möjligt att använda en hylsa av minnemetall, varvid hylsan av minnesmetall i expanderat tillstånd anordnas på plats omkring PTC-elementet och därefter bringas att intaga en mindre diameter. En sådan hylsa kan samtidigt också tjänstgöra som elektrod i det i fig 5 illustre-' rade fallet. I fig 7 exemplifieras användningen av PTC-elementet enligt uppfinningen som överströmsškydd i en elektrisk krets. PTC-elementet 22, t ex av i fig 2 eller 3 visat slag är seriekopplat med en kontaktanordning 23. Parallellt med_kontaktanordningen ligger en excitationsspole 24, som ingår i en snabbutlösare för kontaktanordningen. Utlösaren är anordnad att på- verka kontaktanordningen för öppnande av denna vid överström. Anordningen 22, 23, 24 utgör därigenom en kortslutningsanordning för motorn 25 i kret- sen 26. PATENTKRAV fa

1. PTC-element innefattande en med två koncentriska ytor (10', 10", 10a', 10a") försedd kropp (10, 10a) av en elektriskt ledande polymer- komposition med positiv temperaturkoefficient, i vilken de koncentriska ytorna (10', 10") på kroppen (10) av polymerkomposition eller en av de koncentriska ytorna (l0a') på kroppen (10a) av polymerkomposition och en 9 467 515 av de koncentriska ytorna (10b') på en annan i PTC-elementet eller på en av flera andra i PTC-elementet ingående koncentriskt med nämnda kropp an- ordnad kropp (lOb) av samma eller annan elektriskt ledande polymerkompo- sition med positiv temperaturkoefficient är anordnade i elektrisk kontakt med i PTC-elementet ingående elektroder (11, 12) för ledande av ström genom kroppen resp kropparna av polymerkomposition, k ä n n e t e c k - n a t av att kroppen (10) av polymerkomposition, om endast en sådan kropp ingår i PTC-elementet, med åtminstone en av sina koncentriska ytor (l0') är anordnad att fritt anligga mot en av elektroderna (11), resp minst en av kropparna (10a) av polymerkomposition, om mer än en sådan ingår i PTC-elementet, med åtminstone en av sina koncentriska ytor (10 a') anord- nad att fritt anligga mot en av elektroderna (11) eller mot den andra kroppen resp en av de andra kropparna (lOb) av polymerkomposition samt att elektroderna och kroppen resp kropparna av polymerkomposition är tryckta mot varandra med ett vinkelrätt mot de koncentriska ytorna på kroppen resp kropparna av polymerkomposition riktat tryck.

2. PTC-element enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att trycket uppgår till minst 0,1 MPa.

3. PTC-element enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att trycket uppgår till 0,1 MPa-10 Ma.

4. PTC-element enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k - n a t av att elektroderna (11, 12) och kroppen (10) resp kropparna (l0a, 10b) är tryckta mot varandra med en tryckanordning (31, 32, ßü) som är försedd med tryckutövande delar (31a) med förmåga att fjädra.

5. PTC-element enligt något av patentkraven 1-4, k ä n n e t e c k - n a t av att innanför en elektrod (11) som är anordnad vid en inàtvänd koncentrisk yta (10', 10a') på kroppen (10) resp på den längst in belägna kroppen (10a) av polymerkomposition är anordnad en kropp (31) som är expanderbar i en riktning vinkelrätt mot den koncentriska ytan samt att utanför en elektrod (12), som är anordnad vid en utàtvänd koncentrisk yta (10". 10b') på kroppen (10) resp på den längst ut belägna kroppen (lOb) av polymerkomposition är anordnat ett mothàll (32) eller denna elektrod själv utformad att utgöra ett mothâll. 467 513 10

6. PTC-element enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a t av att den expanderbara kroppen (31) är elastisk.

7. PTC-element enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a t av att mellan den vid inåtvända koncentriska ytan (lO', 10a') anordnade elekt- roden (11) och den expanderbara kroppen är anordnat ett skikt av gummi eller annat elastiskt material.

8. PTC-element enligt något av patentkraven 5-7, k ä n n e t e c k - n a t av att mellan den vid den utåtvända koncentriska ytan (l0", 10b') anordnade elektroden (12) och mothållet (32) är anordnat ett skikt av gummi (33) eller annat elastiskt material.

9. PTC-element enligt något av patentkraven 1-4, k ä n n e t e c k - n a t av att utanför en elektrod (12), som är anordnad vid en utàtvänd koncentrisk ytan (10", 10b') på kroppen (10) resp på den längst ut belägna kroppen (10b) av polymerkomposition är anordnad en drag- eller klämanordning (34) och att innanför en elektrod (11), som är anordnad vid en inåtvänd koncentrisk yta (10", 10a') på kroppen (10) resp på den längst in belägna kroppen (10a) av polymerkomposition är anordnat ett I mothâll eller denna elektrod (35) själv utformad att utgöra mothâll.

10. PTC-element enligt enligt patentkrav 9, k ä n n e t e c k n a t av att mellan den vid den utâtvända koncentriska ytan (10", 10b') anordnade elektroden (12) och drag- eller klämanordningen (34) är anordnat ett skikt av gummi (33) eller annat elastiskt material.

11. PTC-element enligt något av patentkraven 9 eller 10, k ä n n e - t e c k n a t av att mothàllet utgöres av en elastisk kropp.

12. PTC-element enligt något av patentkraven 9 eller 10, k ä n n e - t e c k n a t av att mellan den vid den inàtvända koncentriska ytan (10', 10a') anordnade elektroden (11) och mothållet är anordnat ett skikt av gummi eller annat elastiskt material.

13. PTC-element enligt något av patentkraven 1-12, k ä n n e t e c k - n a t av att åtminstone en av elektroderna (11, 12) utgöres av en tät platta eller folie av metall, vilken på den mot kroppen av polymerkompo- sition vända sidan är belagd med ett genom termisk sprutning applicerat 11 467513 skikt av metall med ojämn ytstruktur innefattande utskjutande partier med en höjd av 1-50 pm och en bredd av 1-50 pm.