TWI403063B - 過電壓保護裝置及用以提供過電壓保護之方法 - Google Patents

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Description

過電壓保護裝置及用以提供過電壓保護之方法
本發明係關於電壓突波保護裝置，且特定言之係關於一種包括一變阻器材料薄片之電壓突波保護裝置。
經常地，過大的電壓被供應通過用以將電力輸送至住家及商業與工業設施的用戶進線。此過大電壓或電壓峰值可能例如來自於雷擊。在電信分配中心、醫院以及其他會因為電壓突波而使設備受損且造成停工之極大損失的其他設施係特別會關心此電壓突波的問題。
通常，使用一或多個變阻器(亦即，電壓從屬電阻器)係用以保護一設施免於受到電壓突波。大體而言，該變阻器係被直接連接通過一AC輸入端且與欲保護電路並聯。該變阻器具有一特性箝位電壓，使得相應於一電壓增加超過一預定電壓時，該變阻器會形成一用於過電壓電流之低電阻分流路徑，以降低敏感組件受損的可能性。一般而言，一線保險絲被設置在保護電路中且該線保險絲可能會因為突波電流或者該變阻器元件失效而受損或減弱。
已有針對不同應用而依照數種設計建構而成的變阻器。針對諸如電信設施保護之重荷載應用(例如，範圍從大約60至200仟安培之突波電流容量)，通常會使用塊狀變阻器。一塊狀變阻器通常包括一插置在一塑膠外殼中的碟狀變阻器元件。該變阻器碟係藉由壓力鑄造一金屬氧化物材料而形成，諸如氧化鋅，或者其他適當材料，諸如碳化矽。銅或其他導電性材料係被燒結分佈在該碟之相對置表面上。環狀電極被連結至經塗佈之相對置表面上且該碟及電極總成被封裝在該塑膠外殼中。此等塊狀變阻器之實例包括可從Siemens Matsushita Components GmbH & Co.KG公司購得之產品編號為SIOV－B860K250之產品，以及可從Harris公司購得之產品編號為V271BA60之產品。
另一種變阻器設計包括一被封圍在一碟二極體外殼中的高能量變阻器碟。該二極體外殼具有相對置的電極板且該變阻器碟被定位在該等電極板之間。該電極之一者或兩者包括一被設置在該電極板與該變阻器碟之間的彈簧構件，以將該變阻器碟固持在定位。該或該等彈簧構件僅提供一與該變阻器碟接觸的較小面積。
另一種採用一變阻器薄片的過電壓保護裝置係可從希臘之Raycap公司購得的StrikesorbT M 突波保護模組，其可以構成一RayvossT M 瞬間電壓突波抑制系統之一部分。
在各個實施例中，本發明係關於一種過電壓保護裝置，其可針對安全地、耐用地且一致性地處理極度、可重複性及/或使用壽命結束的過電壓狀態來提供數個優點。
依照本發明之實施例，一種過電壓保護裝置包括第一及第二導電性電極構件；一變阻器構件，其係由一變阻器材料所構成且與該第一及第二電極構件之每一者電性相連接；及一導電性可熔化構件。該可熔化構件係可相應於在該裝置中的熱而熔化且經由該可熔化構件而在該第一及第二電極構件之間形成一電流流動路徑。
依照某些實施例，由該可熔化構件所形成之該電流流動路徑係從該第一電極構件完全地延伸至該第二電極構件且該可熔化構件嚙合該第一及第二電極構件之每一者。
該可熔化構件可以由金屬所形成。依照某些實施例，其中該可熔化構件具有一範圍從大約110℃至160℃的熔點。
依照某些實施例，該第一電極構件包括一界定一腔室的外殼，且該可熔化構件及該第二電極構件之至少一部分被設置在該腔室中。依照某些實施例，該可熔化構件被安裝在位於該腔室中之該第二電極構件的該部分上。
依照某些實施例，一導電性強化構件被設置在介於該第一及第二電極構件之間之該腔室中，該強化構件係由一具有熔點高於該外殼之一材料之熔點的材料所形成，且其中該強化構件被定位成用以接受來自於該第二電極構件之電氣電弧。該腔室可被密封。依照某些實施例，一電性絕緣構件被設置在該腔室中且被插置在該第一及第二電極構件之間。
依照本發明之某些實施例，一過電壓保護裝置包括一由一變阻器材料所形成的變阻器構件及一導電性可熔化構件。該裝置係用以相應於一過電壓事件來導引一電流通過該變阻器構件。該可熔化構件係可相應於在該裝置中的熱而熔化且在該裝置中形成一新的電流流動路徑，以防止該裝置之至少某些電氣引致加熱。依照某些實施例，該新的電流流動路徑將電流導引離開該變阻器構件。
依照本發明之方法實施例，一種用以提供過電壓保護之方法，該方法包含提供一過電壓保護裝置，該過電壓保護裝置包括：第一及第二導電性電極構件；一變阻器構件，其係由一變阻器材料所構成且與該第一及第二電極構件之每一者電性相連接；及一導電性可熔化構件。該方法進一步包括相應於在該裝置中的熱來熔化該可熔化構件以經由該可熔化構件而在該第一及第二電極構件之間形成一電流流動路徑。
習於此技者可透過閱讀圖式及以下的較佳實施例之詳細說明來更瞭解本發明之其他特徵、優點及細節，此說明僅用以闡釋本發明。
本發明現將參考其中顯示有本發明實施例的附圖來完整說明如下。在該等圖式中，為了清楚說明起見，某些部位或特徵的相對尺寸係予以誇飾。然而，本發明亦能以不同形式來具體實施且並非構成在本文中所闡述之實施例的限制；相反地，提供這些實施例係使得本說明內容徹底且完整，且能夠將本發明的範圍完全傳授給熟習此項技術者。應瞭解，當一元件被指稱"被耦接"或"被連接"至另一元件時，其可以直接耦接或連接至另一元件或者亦可以存在仲介元件。相反地，當一元件被稱為"被直接耦接"或"被直接連接"至另一元件時，則表示未存在有仲介元件。在全文中，相同的標號係用以標示相同的元件。
此外，空間性相對術語，諸如"之下"、"下方"、"下面"、"之上"、"上方"等等，在本文中係用以方便描述在圖式中所示之一元件或特徵相對於另外元件或特徵的關係。應瞭解，空間相對性術語係用以涵蓋除了圖式所示方位以外之該裝置在使用或操作時之不同方位。例如，若在圖式中之裝置被倒置，則被描述為在其他元件或特徵"之下"或"下方"的元件則將被定位成在該其他元件或特徵"之上"。因此，例示性術語"之下"可同時涵蓋上方及下方的方位。該裝置亦可被定向在其他方位(轉動90度或位在其他方位)且在本文中使用之該空間相對性描述亦會相應地解釋。
為了簡潔及/或清楚說明之目的，習知的功能或結構將不會予以詳述。
在本文中所用的措詞"及/或"包括相關列舉項目之一或多個的任何一種或全部組合。
在本文中所用的術語係僅用以描述特定實施例而並非用以限制本發明。在本文中所用的單數格形式"一(a)"、"一(an)"及"該"亦用以包括複數格形式，除非在內容中另有指明。應進一步瞭解，所用之術語"包含"及/或"包含"當被使用在說明書中時係用以指明所述特徵、完整物件、步驟、操作、元件及/或組件的存在，但並不排除一或多個其他特徵、完整物件、步驟、操作、元件、組件及/或其族群的存在或增添。
除非另有定義，在本文中使用的所有的術語(包括技術性及科學性術語)係具有對於本發明所屬之技術有普通瞭解之人士普遍瞭解的意義。應進一步瞭解的是，諸如在普通字典中所定義的術語應被解釋為具有與其在相關技術內容中之意義一致的意義，而不應解釋為理想化或過度正式的意涵，除非在本文中已被定義。
在本文中所用的術語"薄片"係表示具有一厚度的基板，該厚度相對於其直徑、長度或寬度尺寸係較小的。
現請參考圖1－5，其中顯示依照本發明第一實施例之過電壓保護裝置且以100標示之。該裝置100具有一長度方向之軸線A－A(圖3)。該裝置100包括一外殼120、一活塞狀電極130及一變阻器材料薄片110以及其他將在下文中詳述的組件。該外殼具有一末端電極壁122(圖3)及一從該電極壁122延伸而出的圓柱狀側壁124。該側壁124及該電極壁122構成一與一開口126相連通之腔室或凹腔121。一螺柱或螺栓129(圖3)從外殼120延伸而出。該電極130具有一被設置在該凹腔121中之頭部132以及一經由該開口126向外突伸而出的一體式軸桿134。該變阻器薄片110被設置在該凹腔121中而介於該電極壁122與該頭部132之間且各與其相接觸。該裝置100進一步包括一用以防止或禁止該裝置過熱或溫度遽增的導電性可熔化構件180，此將在下文中詳述。
在使用時，裝置100可直接連接通過一AC或DC輸入(例如，在一電氣供應設施箱中)。用戶進線被直接或間接地連接至該電極軸桿134及該外殼支柱129的每一者，使得一電流動路徑被設置成通過該電極130、該變阻器薄片110、該外殼電極壁122及該外殼支柱129。在不存在一過電壓的狀態中，該變阻器薄片110提供高電性電阻，使得不會有過大的電流流經該裝置100，如同其在電性上係呈現一開路電路。在一過電壓狀態的事件中(相對於該裝置之設計電壓)，該變阻器薄片之電阻會迅速降低，而使得電流可以流經該裝置100且產生一用以使電流流動的分流路徑，以保護一相關電氣系統的其他組件。諸如變阻器裝置之過電壓保護器的一般用途及應用係習於此技者所熟知的，因此將不再進一步詳細說明。
回到該裝置100更為詳細的構造，該裝置100進一步包括被設置在該凹腔121中之一彈簧墊圈140、一扁平墊圈145、一絕緣環圈150、一端蓋160、一夾具170及O形環172、174、175。每一組件將詳述於下文中。
該外殼120之電極壁122具有一面向內且大致平坦的接觸表面122A。一環狀凹槽123被形成在該側壁124之內表面中。依照某些實施例，該外殼120係由鋁所構成。然而，亦可使用任何適當的導電性金屬。依照某些實施例，該外殼120係單件式。該外殼120如圖所示係呈圓筒狀，但亦可以具有不同的形狀。
如圖3清楚所示，該電極130之頭部132具有一大致平坦的接觸表面132A，其面向該電極壁122之接觸表面122A。該頭部130之頂部表面132B係從一下方軸桿部分134A向外且向下截切或呈錐狀(亦即，徑向傾斜)。該下方軸桿部分134A具有一相較於頭部132之直徑而縮減的直徑。一上方軸桿部分134B從該下方軸桿部分134A之上端部延伸而出。該上方軸桿部分134B具有一相較於該下方軸桿部分134A之直徑而縮減的直徑。依照某些實施例，該軸桿部分134B具有一從大約1至1.5英吋的直徑。一整體式環狀中間凸緣138係從介於該等軸桿部分134A、134B之間的軸桿134徑向朝外延伸。一環狀、側向開口凹溝139A被界定在該凸緣138之周圍側壁中。另一環狀、側向開口凹溝139B被界定在該上方軸桿部分134B中。一螺紋孔136被形成在該軸桿134之末端以收納一螺栓，以將一匯流棒或其他電連接器牢固至該電極130。依照某些實施例，該電極130係由鋁所形成。然而，亦可使用任何適當的導電性金屬。
該可熔化構件180安裝在該電極130上。該可熔化構件180係一圍繞該下方軸桿部分134A之圓柱形、管狀構件或套筒，其被設置在該可熔化構件180之一中央通道中。依照某些實施例，該可熔化構件180接觸該下方軸桿部分134A，且依照某些實施例，該可熔化構件180沿著該下方軸桿部分134A之大致整個長度來接觸該下方軸桿部分134A。該可熔化構件180亦嚙合該凸緣138之下表面及該頭部130之頂部表面132B。
該可熔化構件180係由一可熱熔的導電性材料所構成。依照某些實施例，該可熔化構件180係由金屬所構成。依照某些實施例，該可熔化構件180係由一導電性金屬合金所構成。依照某些實施例，該可熔化構件180係由鋁合金、鋅合金及/或錫合金組成之群中所選出之一金屬合金所構成。然而，亦可使用任何適當的導電性金屬。
依照某些實施例，該可熔化構件180被選定而使得其熔點大於預定的最大標準作業溫度。該最大標準作業溫度可以係正常操作(包括處理針對裝置100之設計範圍內的過電壓)期間預期在該可熔化構件180中的最大溫度，但不含在保持未經檢查而將會造成熱遽增的操作期間的最大溫度。依照某些實施例，該可熔化構件180係由一具有範圍從100至160℃的熔點的材料所形成，且依照某些實施例，其範圍係從130至150℃。依照某些實施例，該可熔化構件180之熔點係至少比該外殼120、該電極130及該絕緣環圈150之熔點還要小20℃，且依照某些實施例係至少比該外殼120、該電極130及該絕緣環圈150之熔點還要小30℃，且依照某些實施例係至少比該外殼120、該電極130及該絕緣環圈150之熔點還要小40℃。
依照某些實施例，該可熔化構件180具有範圍從大約3×107 西門斯/公尺(S/m)至4×107 S/m的導電率，且依照某些實施例，該範圍係從大約3.5×107 S/m至3.8×107 S/m。
該可熔化構件180能以任何適當方式安裝在該電極130上。依照某些實施例，該可熔化構件180被熔鑄或模製在該電極130上。依照某些實施例，該可熔化構件180被機械式地牢固在該電極130上。
該變阻器薄片110具有第一及第二相對置且大致呈平坦狀的接觸表面112。該變阻器薄片110被插置在該等接觸表面122A及132A之間。如以下將詳細說明的，該頭部132及壁122被機械負載抵住該變阻器薄片110，以確保在該等表面132A、122A以及該變阻器薄片110之各別相對置表面112之間牢固且一致的嚙合。
依照某些實施例，該變阻器薄片110係呈碟狀。然而，該變阻器薄片110能形成其他的形狀。該變阻器薄片110之厚度及直徑將取決於用於特定應用所需要的變阻器特性。該變阻器薄片110可包括在任一側邊上被塗覆有一導電覆層的變阻器材料薄片，使得該覆層之外露表面可用以作為該等接觸表面。該覆層例如可以由鋁、銅或銀所形成。
該變阻器材料亦可以係傳統上用於變阻器的任何適當材料，亦即，一具有非線性電阻特性及供應電壓的材料。較佳地，當超過一預定電壓時，該電阻會變成極低。該變阻器材料例如可以係一經摻雜之金屬氧化物或碳化矽。適當的金屬氧化物包括氧化鋅化合物。
該彈簧墊圈140包圍該上方軸桿部分134B且嚙合該凸緣138之上表面。每一彈簧墊圈140包括一開孔142，其收納該電極130之上方軸桿部分134B。該彈簧墊圈140抵靠該凸緣138之頂面。依照某些實施例，在該開孔142與該軸桿部分134B之間的間隙係落在大約0.015至0.035英吋的範圍內。該彈簧墊圈140可由一彈性材料所構成。依照某些實施例且如圖所示，該彈簧墊圈140係一由彈性鋼製成的Belleville墊圈。雖然在圖式中僅顯示一個彈簧墊圈140，但亦可使用更多個。
該平坦的金屬墊圈145被插置在該彈簧墊圈140與該絕緣環圈150之間，且使該軸桿部分134B延伸穿過一形成在該墊圈145中之開孔146。該墊圈145用以分散該彈簧墊圈140之機械負載，以防止該彈簧墊圈咬入該絕緣環圈150中。
該絕緣環圈150疊置且抵靠在該墊圈145上。該絕緣環圈150具有一主體環圈154、一從該主體環圈154向上延伸之圓柱狀上凸緣或軸環156以及一從該主體環圈154向下延伸之圓柱狀下凸緣或軸環158。一開孔152收納該軸桿部分134B。依照某些實施例，在該開孔152與該軸桿部分134B之間的間隙係落在大約0.025至0.065英吋的範圍內。該主體環圈154及該等軸環156、158可結合或一體式模塑在一起。一向上且向外開口周圍凹溝159被形成在該主體環圈154之頂部邊角中。
該絕緣環圈150較佳地由一具有高熔點及燃點溫度的介電或電性絕緣材料所形成。該絕緣環圈150可以例如由聚碳酸酯、陶材或高溫聚合物所形成。依照某些實施例，該絕緣環圈150係由一具有熔點大於該可熔化構件180之熔點的材料所形成。
該端蓋160疊置且抵靠於該絕緣環圈150上。該端蓋160具有一開孔162，其收納該軸桿部分134B。依照某些實施例，在該開孔162與該軸桿部分134B之間的間隙係落在大約0.025至0.065英吋的範圍內。該端蓋160亦可以例如由鋁所構成。
該夾具170係彈性的且呈截形環圈狀。該夾具170被部分地收納在該凹槽123中且從該外殼120之內壁部分地徑向朝內延伸，以限制該端蓋160之朝外軸向位移。該夾具170可由彈性鋼所形成。
該O形環172被定位在該凹溝139A中，使得其被捕捉在該凸緣138與該下方軸環158之間。該O形環174被定位在該凹溝139B中，使得其被捕捉在該軸桿部分134B與該上方軸環156之間。該O形環175被定位在該凹溝159中且被捕捉在該絕緣環圈150與該側壁124之間。當被安裝時，該等O形環172、174、175被壓縮而使得其被偏壓而在該等相鄰的界接表面之間形成一密封。在一過電壓事件中，諸如熱氣及來自於該薄片110之副產物可能會填入或散落至該凹腔121中。這些副產物可藉由該等O形環172、174、175來予以限制或防止沿著在該軸桿134與該絕緣環圈150之間的路徑或介於該絕緣環圈150與該側壁124之間之路徑散逸至該過電壓保護裝置100中。
該等O形環172、174、175可以藉由相同或不同材料來形成。依照某些實施例，該等O形環172、174、175係由諸如一彈性體之彈性材料所形成。依照某些實施例，該等O形環172、174、175係由橡膠形成。該等O形環172、174、175可以由碳氟化合物橡膠所形成，諸如可由DuPont公司購得的VITONT M 。亦可採用其他橡膠，諸如丁基橡膠。依照某些實施例，該橡膠具有一介於大約60及100肖氏硬度A之硬度。依照某些實施例，每一O形環172、174、175的熔點皆大於該可熔化構件180之熔點。
當組裝成如圖3所示時，該外殼120、該薄片110、該電極軸桿部分134A、該頭部132、該凸緣138以及該下方軸環158界定一環狀腔室102，其係該外殼凹腔121之一經密封的副腔室。該可熔化構件180被容置在該腔室102中。
如上所述且如圖3清楚所示，該電極頭部132及該電極壁122被負載抵頂該變阻器薄片110，以確保在該等薄片表面112與該等表面122A、132A之間牢固且一致的嚙合。該裝置100之此態樣亦可以考量一依照本發明用以組裝該裝置100之方法來予以理解。該等O形環172、174、175被安裝在該等凹溝139A、139B、159中。該變阻器薄片110被放置在該凹腔121中而使得該薄片表面112嚙合該接觸表面122A。該電極130被插入至該凹腔121中而使得該接觸表面132A嚙合該變阻器薄片表面112。該彈簧墊圈140係將該軸桿部分134B向下滑動且設置在該凸緣138上。該墊圈145、該絕緣環圈150及該端蓋160係將該軸桿部分134B向下滑動且位在該彈簧墊圈140上。一工模(未圖示)或其他適當的裝置係用以將該端蓋160向下壓，接著撓曲該彈簧墊圈140。在該端蓋160仍處在該工模之負載作用的情況下，該夾具170被壓縮且插入至該凹槽123中。該夾具170接著被釋放且允許回到其原來直徑，之後，其部分地填入該凹槽且從該凹槽123部分地徑向朝內延伸至該凹腔121中。該夾具170及該凹槽123因此可用以保持在該端蓋160上的負載，以部分地撓曲該彈簧墊圈140。該端蓋160作用在該絕緣環圈150上且從該絕緣環圈作用在該彈簧墊圈140上的負載接著便被傳送至該頭部132。以此方式，該變阻器薄片100被夾置(夾持)在該頭部132與該電極壁122之間。
如上所述，在未存在一過電壓狀態的情況下，該變阻器薄片110提供高電阻，使得不會有過大的電流流經該裝置100，如同其在電性上係呈現一開路電路。在一過電壓狀態的事件中(相對於該裝置之設計電壓)，該變阻器薄片之電阻會迅速降低，而使得電流可以流經該裝置100且產生一用以使電流流動的分流路徑，以保護一相關電氣系統的其他組件。然而，某些狀況可能會造成在該裝置100中累積熱。例如，該裝置100可處在一"使用壽命結束"模式中，其中該變阻器薄片被完全或部分耗盡(亦即，處在一"使用壽命結束"狀態)。再者，該裝置100在極接近的連續期間可能經歷一延長的過電流事件或一或多個過電流事件。在這些情況下，該變阻器材料可能不足以傳導電流，造成在該電極130及該外殼120之間產生電弧。同樣地，用於該電流量之電傳導路徑的截面積可能不足，造成高歐姆損失且因此產生熱。此電弧可能接著會造成在裝置100中累積熱。若保持未檢查，則此一熱累積可能會造成熱遽增而使該裝置溫度超過一預定的最大溫度。例如，針對該裝置之外表面的最大容許溫度可能由碼或標準來設定，以防止相鄰組件的燃燒(例如，根據UL 1449)。一種用以避免此熱遽增的方法係利用一保險絲來中斷電流通過該裝置100，該保險絲會在該裝置100中發生過熱之前便熔斷。然而，如以下將說明的，在某些例子中，此方法係不當的，因為其可能會造成在一相關電路中之其他重要組件受損或者在斷開該突波保護裝置之後造成該負載未受到保護。
依照本發明之實施例，該可熔化構件180係用以防止或禁止此熱遽增而不需要中斷該電流通過該裝置100。首先，該可熔化構件180具有一第一構形，如圖1及3所示，使得除了通過該頭部132以外，其不會電性地耦接該電極130及該外殼120。在一熱累積事件發生後，該電極130會因此受熱。該可熔化構件180亦會直接受熱及/或藉由該電極130而受熱。在正常操作期間，在該可熔化構件180中的溫度係保持低於其熔點，使得該可熔化構件180會保持固態形式。然而，當該可熔化構件180之溫度超過其熔點時，該可熔化構件180會熔化(全部或部分)，且藉由重力而流動成一與該第一構形不同的第二構形。當該裝置100被垂直定向時，已熔化之可熔化構件180會累積在該腔室102之下方部分中而成為一重新構形的可熔化構件180A(其可被全部或部分熔化)，如圖4所示。該可熔化構件180A橋接或短路該電極130至該外殼120。亦即，一新的直向流動路徑或若干路徑係從該電極部分134A之表面經由該可熔化構件180A而被提供至該外殼端壁122之表面以及該外殼側壁124。依照某些實施例，至少某些該等流動路徑不包括該變阻器薄片110。
因此，該可熔化構件180A在該電極130與該外殼120之間提供一擴大的電接觸表面以及一擴大的電流流動路徑。亦即，包括該可熔化構件180A之電傳導路徑的截面積及體積被增加。因此，便可以減少或消除電弧、歐姆熱及/或其他由於熱產生所引致的現象，且可以防止該裝置100之熱遽增及/或過度受熱。該裝置100可因此轉換成一能夠安全地維持一較高電流(亦即，不會使裝置遭受毀滅性破壞)的較低電阻元件。應瞭解，該裝置100之後可能無法作為一過電壓保護裝置來使用，但卻可避免毀滅性破壞(例如，造成燃燒溫度、爆炸或從裝置100釋放出材料)。
該下方軸桿部分134A之較大直徑係將該軸桿部分134A之外表面定位成極靠近該外殼側壁124之內表面且在該重新構形的可熔化構件180A與該軸桿部分134A及該側壁之間提供較大的接觸面積。依照某些實施例，軸桿部分134A及134B之直徑的尺寸被設計成當該可熔化構件180已熔化而形成該重新構形的可熔化構件180A及該裝置100以承載一突波電流或非突波電流時係可以承載該突波電流而不會使該等軸桿部分134A、134B過熱。
該裝置100亦能以任何方位被有效地使用。例如，參考圖5，該裝置100可被佈署在一水平方位上。當該可熔化構件180因為一過熱產生事件而被熔化時，該可熔化構件180將流入該腔室102之下方部分，且在該處形成一重新構形的可熔化構件180B(其可全部或部分被熔化)，以如上述方式橋接該電極130及該外殼120。該凸緣138、該O形環172及該絕緣環圈下方軸環158以及該絕緣環圈150、該O形環175及該側壁124協作以密封該腔室102，使得已熔化的可熔化構件180不會從該腔室102流出。該O形環174提供一輔助密封。
現請參考圖6，依照本發明實施例之電路30係概要地顯示於其中。該電路30包括一電源供應器32、一電路斷開器34、一保護負載36、接地線40及該過電壓保護裝置100。該裝置100例如可安裝在一電力供應設施箱中。該電源供應器32可以係一AC或DC供應器且提供電力至該負載36。該負載36亦可以係任何適當的裝置、系統、設備等等(例如，一電器用品、一行動通訊傳輸塔等等)。該裝置100係與該負載36並聯連結。在正常使用時，該裝置100將以一開路電路的方式來操作，使得電流被導引至該負載36。在一過電壓事件中，該變阻器薄片之電阻會迅速降低，俾防止過電流損害該負載36。該電路斷開器34亦可跳開。然而，在某些情況中，該裝置100可能會遭受到一超過該變阻器薄片110之容量的電流，造成如上述因為電弧等所產生的過熱。該可熔化構件180將如上述熔化且流動而使該裝置100短路。該裝置100之短路將接著使該電路斷開器34跳開。以此方式，便可保護該負載36免於受到電力突波或過電流事件。此外，該裝置100亦可安全地傳導一連續電流。
應注意，該裝置100在過電流事件後將會持續使該電路30短路。因此，該電路斷開器34無法被重設，這可以通知一操作員該裝置100必須修理或更換。或者，若該裝置100之分流被中斷而非被短路，則該電路斷開器34將被關閉且該操作員可能不會知道該負載36已不再受到一功能性過電壓保護裝置的保護。
現請參考圖7，其中顯示依照本發明其他實施例之一過電壓保護裝置200。該裝置200對應於該裝置100，除了進一步在該腔室202中提供一內襯290以外。該內襯290係一導電性且導熱性材料製成的管件或套筒。依照某些實施例，該內襯290係由一具有高於該外殼220材料之熔點的材料所形成。依照某些實施例，該內襯290係由鋼所形成且該外殼220係由鋁所形成。在一過電流的例子中，來自於該電極230之某些或全部電弧及/或該變阻器薄片210係被導引至該內襯290而非被導引至該外殼220本身(且更特定言之係該側壁224)。以此方式，該內襯290可防止或延遲該外殼220之局部性熔化，該局部性熔化可能會穿破該外殼220或者造成該外殼220失效。該內襯290亦可以結構性地加強該外殼側壁224，俾在該側壁224因熱而軟化的狀況下可以提供額外的剛性。該內襯290因此提供額外的時間給該可熔化構件280來熔化、流動且在該電極230與該外殼220之間提供一擴大的電流流動路徑。
現請參考圖8，其中以分解立體視圖來顯示依照本發明之進一步實施例的可熔化構件總成381。該可熔化構件總成381可用以取代該可熔化構件180。該可熔化構件總成381包括一對可熔化構件子部分382及一夾具384。該等子部分382可環設於該電極下方部分134A且利用該夾具384作為一固持裝置而牢固在定位。該等子部分382可由上述針對該可熔化構件180所述之材料來形成。依照某些實施例，可在該等子部分382之外表面中形成周緣凹口以收納該夾具384，使得該夾具被部分地或完全地凹縮在該等子部分382中。
現請參考圖9，其中顯示依照本發明之進一步實施例的可熔化構件總成481。該可熔化構件總成481可用以取代該可熔化構件180。該可熔化構件總成481包括一對可熔化構件子部分482。該等子部分482之每一者具有呈一公凸部484A及一母凹孔484B形式的一體式固持特徵。該等子部分482可被環設於該電極下方部分134A且藉由嚙合該等各別的凸部484A及凹孔484B而被牢固在定位。該等凸部484A及凹孔484B之相對尺寸及形狀可經過設計以提供一干涉配合。該等子部分482可由上述針對該可熔化構件180所討論的材料來形成。
依照本發明實施例之過電壓保護裝置(例如，裝置100、200)尚可提供除了上述以外的數個優點。該等裝置可被形成為具有較小型化的外形因數。該等裝置亦可翻新以安裝取代未具有本發明之一可熔化構件的相似類型的過電壓保護裝置。詳言之，本發明裝置可具有相同於先前裝置的長度尺寸。
依照某些實施例，本發明之過電壓保護裝置(例如，裝置100、200)係經調適，俾當該可熔化構件被熔化而短路該過電壓保護裝置時，該過電壓保護裝置之導電率係至少與連接至該裝置之饋進及饋出電纜的導電率一樣大。
依照某些實施例，本發明之過電壓保護裝置(例如，該裝置100、200)係經調適以持續1000安培電流達至少七個小時而不會發生該外殼(例如，外殼120或220)的破裂或者使外表面溫度達到超過170℃。
雖然上述的可熔化構件或總成被安裝成使得其包圍且接觸該等電極(例如，電極130)，然而依照本發明之其他實施例，一可熔化構件亦可替代地或額外地安裝在一裝置的其他部位。例如，一可熔化構件(例如，該可熔化材料之一套筒或內襯)可被安裝在該側壁124之內表面及/或該凸緣138的底面。同樣地，該可熔化構件可依照本發明的某些實施例而被形成不同的形狀。例如，依照某些實施例，該可熔化構件並非呈管狀及/或相對於該腔室、該電極及/或該外殼而呈對稱性。
依照某些實施例，在該等接觸表面(例如，該接觸表面122A、132A)之每一者與該變阻器薄片表面(例如，該薄片表面112)之間的嚙合面積係至少為0.5平方英吋。
依照某些實施例，該外殼120及該電極130的合成熱質量係大致上大於該變阻器薄片110的熱質量。在本文中所用之術語"熱質量"係表示該物件(例如，該變阻器薄片110)之該或該等材料的比熱乘上該物件之該或該等材料的質量的乘積。亦即，該熱質量係用以將該物件之一公克的該或該等材料升高攝氏一度所需要的能量乘以在該物件中之該或該等材料的質量所得出的數量。依照某些實施例，該電極頭部132及該電極壁122之每一者的熱質量係大致上大於該變阻器薄片110的熱質量。依照某些實施例，該電極頭部132及該電極壁122之每一者的熱質量係至少兩倍於該變阻器薄片110的熱質量，且依照某些實施例係大致至少為其十倍。
用以形成本發明之過電壓保護裝置的數個組件的方法係習於此技者觀看完上述說明後可輕易思及而為之。例如，該外殼120、該電極130及該端蓋160可藉由機器加工、鑄造或衝擊模製來形成。這些元件的每一者可被一體成形或者由多個組件藉由例如焊接而固定連結在一起而形成。
多個變阻器薄片(未圖示)亦可以疊置或夾置在該電極頭部與該中央壁之間。最上方及最下方的變阻器薄片的外表面可用以作為該薄片接觸表面。然而，該變阻器薄片之特性係藉由改變一單一變阻器薄片之厚度來予以較佳地修改而非堆疊複數個變阻器薄片。
如上所述，該彈簧墊圈140係一Belleville墊圈。Belleville墊圈可用以施加較高的負載而不需要實質的軸向空間。然而，亦可使用其他類型的偏壓構件以作為增設或取代該或該等Belleville墊圈。適當的替代性偏壓構件包括一或多個盤簧、波狀墊圈或螺旋墊圈。
對本技術有普通瞭解之人士可以從本發明的揭示內容來施行許多替代及修飾而不違背本發明之精神及範圍。因此，應瞭解的是，所闡釋的實施例係僅作為範例之用途，而不應將其視為限制由後附請求項所界定之本發明。因此，以下將被閱讀的請求項並非僅係字義所述的元件的組合，而是包括所有以大致相同方式來執行大致相同功能且獲致大致相同結果之等效元件。因此，應瞭解該等請求項係包括上述所詳細闡述及說明者、觀念上為均等者以及利用本發明之主要觀念者。
30．．．電路
32．．．電源供應器
34．．．電路斷開器
36．．．保護負載
100．．．過電壓保護裝置
102．．．環狀腔室
110．．．變阻器薄片
112．．．薄片表面
120．．．外殼
121．．．凹腔
122．．．電極壁
122A．．．接觸表面
123．．．環狀凹槽
124．．．圓柱狀側壁
126．．．開口
129．．．外殼支柱
130．．．活塞狀電極
132．．．頭部
132A．．．接觸表面
132B．．．頂部表面
134．．．軸桿
134A．．．下方軸桿部分
134B．．．上方軸桿部分
136．．．螺紋孔
138．．．凸緣
139A．．．開口凹溝
139B．．．開口凹溝
140．．．彈簧墊圈
142．．．開孔
145．．．扁平墊圈
146．．．開孔
150．．．絕緣環圈
152．．．開孔
154．．．主體環圈
156．．．軸環
158．．．軸環
159．．．開口周圍凹溝
160．．．端蓋
162．．．開孔
170．．．夾具
172．．．O形環
174．．．O形環
175．．．O形環
180．．．可熔化構件
180A．．．可熔化構件
180B．．．可熔化構件
200．．．過電壓保護裝置
202．．．腔室
210．．．變阻器薄片
220．．．外殼
224．．．側壁
230．．．電極
280．．．可熔化構件
290．．．內襯
381．．．可熔化構件總成
382．．．可熔化構件子部分
384．．．夾具
481．．．可熔化構件總成
482．．．可熔化構件總成
484A．．．公凸部
484B．．．母凹孔
構成本說明書之一部分的附圖係用以闡釋本發明之主要實施例。該等圖式及說明一起用以完整描述本發明。在該等圖式中，圖1係依照本發明之實施例的一過電壓保護裝置的分解立體視圖。
圖2係圖1之過電壓保護裝置的俯視立體圖。
圖3係圖1之過電壓保護裝置沿著圖2之剖面線3－3所取的截面視圖。
圖4係圖1之過電壓保護裝置沿著圖2之剖面線3－3所取的截面視圖，其中該過電壓保護裝置之一可熔化構件已藉由熔化而被重新構形在一垂直方位中。
圖5係圖1之過電壓保護裝置沿著圖2之剖面線3－3所取的截面視圖，其中該可熔化構件已藉由熔化而被重新構形在一水平方位中。
圖6係一概要示意圖，其代表一包括依照本發明實施例之圖1的過電壓保護裝置的電路。
圖7係依照本發明另一實施例之一過電壓保護裝置的截面視圖。
圖8係依照本發明進一步之實施例的一可熔化構件總成的分解立體視圖。
圖9係依照本發明又進一步之實施例的一可熔化構件總成的分解立體視圖。
100．．．過電壓保護裝置
110．．．變阻器薄片
120．．．外殼
121．．．凹腔
124．．．圓柱狀側壁
126．．．開口
130．．．活塞狀電極
132．．．頭部
132B．．．頂部表面
134．．．軸桿
134A．．．下方軸桿部分
134B．．．上方軸桿部分
138．．．凸緣
139A．．．開口凹溝
139B．．．開口凹溝
140．．．彈簧墊圈
142．．．開孔
145．．．扁平墊圈
146．．．開孔
150．．．絕緣環圈
152．．．開孔
154．．．主體環圈
156．．．軸環
158．．．軸環
159．．．開口周圍凹溝
160．．．端蓋
162．．．開孔
170．．．夾具
172．．．O形環
174．．．O形環
175．．．O形環
180．．．可熔化構件

Claims (45)

  1. 一種過電壓保護裝置，包含：a)第一及第二導電性電極構件；b)一變阻器構件，其係由一變阻器材料所構成且與該第一及第二電極構件之每一者電性相連接；及c)一導電性的可熔化構件，其中該可熔化構件可相應於在該裝置中的熱而熔化且經由該可熔化構件而在該第一及第二電極構件之間形成一電流流動路徑。
  2. 如請求項1之裝置，其中由該可熔化構件所形成之該電流流動路徑從該第一電極構件完全地延伸至該第二電極構件，且該可熔化構件嚙合該第一及第二電極構件之每一者。
  3. 如請求項1之裝置，其中該可熔化構件係由金屬所形成。
  4. 如請求項3之裝置，其中該可熔化構件係從鋁合金、鋅合金及/或錫合金組成之群中所選出之金屬所形成。
  5. 如請求項1之裝置，其中該可熔化構件具有一範圍從大約110℃至160℃的熔點。
  6. 如請求項1之裝置，其中該第一電極構件包括一界定一腔室的外殼，且該可熔化構件及該第二電極構件之至少一部分被設置在該腔室中。
  7. 如請求項6之裝置，其中該可熔化構件被安裝在位於該腔室中之該第二電極構件的該部分上。
  8. 如請求項7之裝置，其中該可熔化構件被鑄造在位於該腔室中之該第二電極構件的該部分上。
  9. 如請求項7之裝置，其中該可熔化構件包括藉由一固持裝置而彼此被牢固在位於該腔室中之該第二電極構件之該部分上的第一及第二獨立子部分。
  10. 如請求項7之裝置，其中該可熔化構件包括藉由至少一整體式固持特徵而彼此被牢固在位於該腔室中之該第二電極構件之該部分上的第一及第二獨立子部分。
  11. 如請求項6之裝置，其包括一個別地由該電阻器構件形成具導電性的強化構件，其中該強化構件設置在介於該第一及第二電極構件之間之該腔室中，其中該強化構件係由一具有熔點高於該外殼之一材料之熔點的材料所形成，且其中該強化構件被定位成用以接受來自於該第二電極構件之電弧。
  12. 如請求項6之裝置，其中該腔室係密封的。
  13. 如請求項6之裝置，其包括一被設置在該腔室中且被插置在該第一及第二電極構件之間的電性絕緣構件。
  14. 如請求項6之裝置，其中該外殼界定一開口且該第二電極構件包括一被定位在該腔室中之頭部及一軸桿，該裝置進一步包括：一被定位在該開口中且具有一形成於其中之端蓋開孔的金屬端蓋，其中該軸桿延伸通過該端蓋開孔；及一被插置在該第二電極構件與該端蓋之間的電性絕緣環圈構件，該絕緣環圈構件具有一形成於其中可使該軸桿延伸穿過之環圈開孔。
  15. 如請求項6之裝置，其中： 該第二電極構件包括一被定位在該腔室中的頭部、一軸桿及一從該軸桿延伸而出且與該頭部隔開的凸緣，其中該頭部嚙合該變阻器構件，且該頭部及該凸緣之每一者從該軸桿徑向向外延伸；該可熔化構件被安裝在介於該頭部與該凸緣之間的該軸桿上；且該裝置進一步包括一被安裝在該凸緣上的彈簧墊圈，該彈簧墊圈相對置於該頭部以施加一負載至該頭部。
  16. 如請求項1之裝置，其中該變阻器構件被插置在該第一及第二電極構件之間。
  17. 如請求項16之裝置，其中該變阻器構件係一具有相對置薄片表面的變阻器薄片，且該第一及第二電極構件之每一者各具有一與該等薄片表面之各別表面相接觸且偏壓抵頂該表面之接觸表面。
  18. 如請求項17之裝置，其中該第一及第二電極構件之至少一者被偏壓抵頂與其相接觸之該薄片表面。
  19. 如請求項1之裝置，其中該變阻器材料係從由一金屬氧化物化合物及碳化矽組成之群中所選出。
  20. 如請求項1之裝置，其中該可熔化構件可相應於在該裝置中的電氣引致的熱而熔化且形成該新的電流流動路徑。
  21. 如請求項20之裝置，其中該變阻器構件可從該變阻器構件中的歐姆損失產生熱，且該可熔化構件可相應於該從變阻器構件中的歐姆損失所產生熱而熔化且形成該新的電流流動路徑。
  22. 如請求項21之裝置，其中，當該變阻器構件處在一使用壽命結束狀態時，該變阻器構件可從該變阻器構件中的歐姆損失產生熱，且當該變阻器構件處在其使用壽命結束狀態時，該可熔化構件可相應於該從變阻器構件中的歐姆損失所產生熱，而熔化且形成該新的電流流動路徑，以防止因溫度遽增造成該裝置毀滅性破壞。
  23. 如請求項21之裝置，其中，該變阻器構件在受到延長的過電流事件時，可從該變阻器構件中的歐姆損失產生該熱。
  24. 如請求項1之裝置，其中該可熔化構件具有一熔點，該熔點大於一預定的最大標準作業溫度，其中該預定的最大標準作業溫度為正常操作期間所預期的該可熔化構件的最大溫度，該正常操作期間並非若保持未經檢查而造成熱遽增的操作期間。
  25. 如請求項1之裝置，其中該裝置包括一外殼，且可以持續一1000安培電流達至少七個小時，而不會發生該外殼的破裂或者使外表面溫度達到超過170℃。
  26. 如請求項7之裝置，其中。 該外殼是由金屬形成；該第二電極構件包括一頭部及一軸桿，該頭部定位在該腔室中，該軸桿斴近該頭部且定位在該腔室中；及該可熔化構件被安裝該腔室中的該軸桿上。
  27. 如請求項1之裝置，其結構使得該可熔化構件在熔化且形成該電流流動路徑時，該可熔化構件流動圍繞該變阻器 構件的一外周圍。
  28. 一種過電壓保護裝置，包含：a)一變阻器構件，其由一變阻器材料所構成，其中該裝置係用以相應於一過電壓事件來將一電流導引通過該變阻器構件；及b)一導電性的可熔化構件，其中該可熔化構件可相應於在該裝置中的熱而熔化且在該裝置中形成一新的電流流動路徑，以防止該裝置之至少某些電氣引致加熱。
  29. 如請求項28之裝置，其中該可熔化構件相應於在該裝置中的熱而熔化且在該裝置中形成一新的電流流動路徑，以防止該裝置被加熱至一超過一預定溫度的溫度。
  30. 如請求項28之裝置，其中該新的電流流動路徑將電流導引離開該變阻器構件。
  31. 如請求項28之裝置，其中該變阻器構件可從該變阻器構件中的歐姆損失產生熱，且該可熔化構件可相應於該從變阻器構件中的歐姆損失所產生的該熱而熔化且形成該新的電流流動路徑。
  32. 如請求項31之裝置，其中，當該變阻器構件處在一使用壽命結束狀態時，該變阻器構件可從該變阻器構件中的歐姆損失產生熱，且當該變阻器構件處在其使用壽命結束狀態時，該可熔化構件可相應於該從變阻器構件中的歐姆損失所產生熱，而熔化且形成該新的電流流動路徑，以防止因溫度遽增造成該裝置毀滅性破壞。
  33. 如請求項31之裝置，其中，該變阻器構件在受到一延長 的過電流事件時，可從該變阻器構件中的歐姆損失產生該熱。
  34. 一種用以提供過電壓保護之方法，該方法包含：提供一過電壓保護裝置，該過電壓保護裝置包括：第一及第二導電性電極構件；一變阻器構件，其由一變阻器材料所構成且與該第一及第二電極構件之每一者電性相連接；及一導電性的可熔化構件；且相應於在該裝置中的熱來熔化該可熔化構件以經由該可熔化構件而在該第一及第二電極構件之間形成一電流流動路徑。
  35. 如請求項34之方法，其中由該可熔化構件所形成之該電流流動路徑從該第一電極構件完全地延伸至該第二電極構件，且該可熔化構件嚙合該第一及第二電極構件之每一者。
  36. 如請求項34之方法，包括：相應於一過電壓事件而將一電流導引通過該變阻器構件；相應於在該裝置中的熱而將該可熔化構件熔化，以在該裝置中形成一新的電流流動路徑，以防止該裝置之至少某些電氣引致加熱。
  37. 如請求項36之方法，包括：在該變阻器構件中，從該變阻器構件中的歐姆損失產生熱；及 相應於該從歐姆損失所產生的熱，將該可熔化構件熔化，而形成該新的電流流動路徑。
  38. 如請求項37之方法，包括：當該變阻器構件處在其使用壽命結束狀態時，將該電流導引通過該變阻器構件，以使該電阻器中有熱從歐姆損失產生。
  39. 如請求項37之方法，包括：該在該變阻器構件中從該變阻器構件中的歐姆損失產生熱的步驟，包括使該變阻器構件受到一延長的過電流事件，以產生該熱。
  40. 如請求項34之方法，包括：其中該可熔化構件具有一大於一預定的最大標準作業溫度的熔點，其中該預定的最大標準作業溫度為正常操作期間所預期的該可熔化構件的最大溫度，該正常操作期間並非若保持未經檢查而造成熱遽增的操作期間。
  41. 如請求項34之方法，其中該裝置包括一外殼，且可以持續一1000安培電流達至少七個小時，而不會發生該外殼的破裂或者使外表面溫度達到超過170℃。
  42. 一種過電壓保護裝置，包含：a)第一及第二導電性電極構件；b)一變阻器構件，其係由一變阻器材料所構成且與該第一及第二電極構件之每一者電性相連接；及c)一導電性的可熔化構件，其中該可熔化構件可相應於在該裝置中的熱而熔化且經由該可熔化構件而在該第 一及第二電極構件之間形成一電流流動路徑，以防止該裝置之至少某些電氣引致加熱；其中，當該變阻器構件處在一使用壽命結束狀態、且受到延長的過電流事件時，該變阻器構件可從該變阻器構件中的歐姆損失產生熱，且當該變阻器構件處在其使用壽命結束狀態、且受到延長的過電流事件時，該可熔化構件可相應於該從變阻器構件中的歐姆損失所產生熱，而熔化且形成該新的電流流動路徑，以防止因溫度遽增造成該裝置毀滅性破壞；及其中該可熔化構件具有一大於一預定的最大標準作業溫度的熔點，其中該預定的最大標準作業溫度為正常操作期間所預期的該可熔化構件的最大溫度，該正常操作期間並非若保持未經檢查而造成熱遽增的操作期間。
  43. 如請求項42之裝置，其中該裝置包括一外殼，且可以持續一1000安培電流達至少七個小時，而不會發生該外殼的破裂或者使外表面溫度達到超過170℃。
  44. 一種用以提供過電壓保護之方法，該方法包含：提供一過電壓保護裝置，包括：第一及第二導電性電極構件；一變阻器構件，其由一變阻器材料所構成且與該第一及第二電極構件之每一者電性相連接；及一導電性的可熔化構件，其中該可熔化構件具有一大於一預定的最大標準作業溫度的熔點，其中該預定的最大標準作業溫度為正常操作期間所預期的該可熔化構 件的最大溫度，該正常操作期間並非若保持未經檢查而造成熱遽增的操作期間；當該變阻器構件處在一使用壽命結束狀態時，將一延長的過電流導引通過該變阻器構件，以使該電阻器中有熱從歐姆損失產生，及相應於該從變阻器構件的歐姆損失所產生的熱，而將該可熔化構件熔化，且經由該可熔化構件而在該第一及第二電極構件之間形成一電流流動路徑，以防止該裝置之至少某些電氣引致加熱。
  45. 如請求項44之方法，其中該裝置包括一外殼，且可以持續一1000安培電流達至少七個小時，而不會發生該外殼的破裂或者使外表面溫度達到超過170℃。
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