專利名稱：：電路保護裝置的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種電路保護裝置(或者電路保護元件)。特別地，涉及一種包括雙金屬片開關和PTC部件的電路保護裝置，以及具有這種電路保護裝置的電路(或者電氣設備)。這種電路保護裝置可以在使用各種高電壓或強電流電池的電路中用作保護裝置，例如在電動車輛、無繩真空吸塵器、電動工具、無線電臺等電路中。
背景技術：
：電路保護裝置結合在用于各類電路的電路中，以便在高于額定電壓的電壓施加至該電路時，和/或在高于額定電流的電流流過該電路時，保護并入這種電路中的電氣/電子設備和/或電氣/電子部件。作為這種電路保護裝置，已經提出了使用并聯連接的雙金屬片開關和PTC部件(參見下面的專利文獻)。采用這種電路保護裝置，在正常的操作條件下，即，電壓等于或小于額定電壓并且電流等于或小于額定電流，基本上所有流過電路的電流都將通過雙金屬片開關中的觸點；假如，例如存在過流，則雙金屬片開關的雙金屬片部分的溫度將會升高，使得觸點分離并斷開，并且電流將轉向PTC部件。結果，PTC部件將由于過流而變成高溫、高阻狀態并跳閘(trip)，從而實質上切斷了流過PTC部件的電流。此時，PTC部件的高溫使雙金屬片部件維持高溫，從而雙金屬片開關維持開啟狀態。換言之，維持雙金屬片的鎖住狀態。在這種電路保護裝置中，由于不必切換電流因此不會在雙金屬片開關的觸點上產生電弧。專利文獻1日本專利申請第11-5125598號公報
發明內容要解決的技術問題本發明人在密切研究上述電路保護裝置后，發現在PTC部件僅僅并聯連接到雙金屬片開關的電路保護裝置中，雙金屬片開關的觸點上可能會產生電弧，并且在最壞的情況下，觸點可能會熔接。當這種熔接發生時，該裝置并不能起到電路保護裝置的作用，并且不能保護結合到電路中的電氣/電子設備和/或電氣/電子部件。因此，本發明所要解決的問題是提供一種如前面所述的電路保護裝置，以進一步提高保護電路的可能性。技術方案本發明提供一種包括雙金屬片開關和PTC部件的電路保護裝置，其特征在于雙金屬片開關和PTC部件并聯電連接；并且PTC部件具有等于或小于將要結合有所述電路保護裝置的電路的比電阻的l.l倍(即，ux)的激活后電阻，其中根據下述等式(l)，基于電路的額定電壓和額定電流來計算電路的比電阻額定電壓/額定電流=比電阻(1)。有益效果當根據本發明的電路保護裝置并入電路時，可以進一步抑制雙金屬片開關觸點上的熔接部分的形成。結果，電路保護裝置的電路保護功能得到進一步提高。因此，本發明進--步提供一種結合了根據本發明的電路保護裝置的電路。圖1顯示了預定電路A，該電路A中結合有預定的電氣設備(或部件)B和雙金屬片開關C。圖2顯示了結合有根據本發明的電路保護裝置的電路。圖3顯示了根據本發明的電路保護裝置的更為具體的實施例的例子的示意性側視圖。圖4顯示了根據本發明的電路保護裝置的更為具體的實施例的例子的示意性側視圖。圖5顯示了實施例1中所測量的電流波形和電壓波形。圖6顯示了實施例2中所測量的電流波形和電壓波形。圖7顯示了實施例3中所測量的電流波形和電壓波形。附圖標記說明1-電路保護裝置2-PTC部件3-電路4-雙金屬片開關6-電子元件10，lO，-導線12-PTC部件16-雙金屬片開關18，18'-觸點20-端子部分22-電極層23-PTC元件24-電極層26，26'-絕緣層30-間隙具體實施例方式5[ooo"在研究了為何會在雙金屬片的觸點上產生熔接后，發現下述設想是可能的。然而，本發明的上述及下述內容是基于本發明人的實驗驗證。因此，這個設想是能夠說明本發明的其中一個可能性，并且這個設想合適與否并不會不當地限制本發明的設想。宏觀上，雙金屬片開關中的觸點的開啟動作是瞬時動作。然而，顯微地觀察這種動作時，可以將其看作這樣一種動作，其中在觸點的這種分離期間，觸點在非常短的時間內彼此逐漸分開。在該非常短的時間的起點，額定電流在觸點之間流動，并且在這種非常短的時間的終點，電流在觸點之間被中斷。換言之，在該非常短的時間的起點，觸點之間的電阻實質上為零值狀態，并且在該時間的終點，電阻增加到無限大。因此，在該非常短的時間內，電流流動并且電阻極大地增加，從而在觸點之間消耗能量。在另一方面，可以認為雙金屬片觸點在觸點溫度升高時所產生的熔接現象是過壓和/或過流影響的結果。因此，當消耗在觸點之間的能量變大時，產生熔接的危險將增大。鑒于電功率是能量的一種測量值，因此本發明人得到一個想法，即用在上述的非常短的時間內在觸點之間所消耗的電功率，尤其是電功率最大值作為測量值來確定產生或不產生觸點之間的熔接。可以如下面參考圖1的電路所說明的那樣，計算觸點之間所消耗的這種電功率及其最大值。在圖1中考慮了預定電路A。通常在這種電路中，結合預定的電氣設備(或部件)B以使電路按照期望的那樣起作用，并且該電路具有預定的電阻Rf。雙金屬片開關C同樣被結合在電路中，從而該電路可以在向該電路施加了非正常電壓和/或在該電路中流過非正常電流時開啟。預定電壓E施加在該電路上。如上所述，預定電路配置成將所預定電壓施加在電氣設備B上，從而在電路上流過預定的電流。這種電壓和這種電流分別被稱為額定電壓Vr和額定電流Ir。這種額定電壓和這種額定電流是指當電壓Vr施加到電路上時，電流Ir流過電路，因此電路的電阻為Vr/Ir。因此，當Vr/lFRf時，則分別具有額定電壓Vr和額定電流Ir的電路相當于其中E=Vr的這樣一種電路，并且在圖1中結合了以Vr/Ir的電阻值作為其電阻值(Rf)的電氣設備。換言之，圖1所示的電路A等效于其額定電壓和其額定電流分別為Vr和Ir的電路(假定E=Vr，并且I=Ir)，并且這種電路的比電阻為Vr/Ir。在圖1所示的電路中，假設電壓E施加于電路，電氣設備的電阻為Rf，并且雙金屬片開關具有作為觸點之間電阻的電阻Rb。進一步假設施加于電氣設備的電壓為Vf，并且雙金屬片開關觸點之間的電壓為Vb。此時，當假設流過電路A的電流為I并且考慮整個電路時，就可以得到I二E/(Rf+Rb)。當假設雙金屬片的觸點之間所消耗的電功率為P時，就可以得到-P=IXVb。由于VbE-Vf，可以得到P=IX(E-Vf)7由于電功率消耗達到最大值時P'為零，因此可以得到P'=E-2IXRf二0當假定在該點上電流I為Imax時，可以得到Imax=E/(2Rf)=(l/2)X(E/Rf)。當假定在該點上電壓Vb為Vmax時，可以得到Vmax二E-Vf^E-ImaxXRf=E-[E/(2Rf)]XRf=E/2。在此，E/Rf等于Rb為零時流過電路的電流值。Rb不可能變為零。然而，當Rb與Rf相比實質上可忽略不計時，即，當雙金屬片開關的觸點充分接觸而處于閉合狀態時，Rf^〉Rb，因此毫無疑問可以假設Rb實質上為零。這種狀態可以認為是額定電壓Vr作為電壓E施加于電路A，并且額定電流Ir流過電路A的狀態。因此，當雙金屬片開關的觸點之間的電功率消耗變為最大值時，可以得到Imax=E/(2Rf)=(l/2)X(Vr/Rf)=(l/2)XIrVmax二E/2^(1/2)XVr因此，當觸點之間的電功率消耗變為最大值時，觸點之間所流過的電流變為額定電流的一半，BP,電流為Ir/2，并且觸點之間所施加的電壓變為額定電壓的一半，即，電壓為Vr/2。簡而言之，當作為電路保護裝置而串聯結合到預定電路中的雙金屬片觸點之間的電功率消耗變為最大值時，電壓和電流將分別為電路的額定電壓和額定電流的一半。因此，在該點上觸點之間的電阻為(Vr/2)/(Ir/2)4r/Ir二額定電壓/額定電流。換言之，該電阻為該電路的比電阻。假設，在該電阻值附近時，觸點之間的電功率消耗變為最大值，結果，很可能在觸點之間產生電弧，從而增加了觸點熔接的可能性，因此，該電阻(=Vr/Ir)暫時也稱為"電弧電阻"。要說明的是，使用在本說明書中所用的術語"電弧電阻"僅僅是為了方便，需要記住的是，雖然假設與觸點之間所產生的電弧存在某些關聯，但是不能必然地假設一旦出現所述電弧觸點之間的電阻就會變成這個電弧電阻。本發明人己經進行進一步實驗研究并發現，當與雙金屬片開關并聯電連接的PTC部件的電阻等于或小于電弧電阻時，觸點之間產生熔接的可能性會降低。這里所述的"PTC部件的電阻"為PTC部件與雙金屬片開關并聯連接之后的電阻(電氣電阻)。當使用焊錫將市售PTC部件連接到雙金屬片開關時，PTC部件處于這樣的狀態下，其中PTC部件由于焊接連接所產生的熱量己經跳閘過一次(即，在熱跳閘之后的狀態中)，本說明書中稱這種狀態下的PTC部件的電阻為"PTC部件的電阻"。這個電阻在與本發明相關的
技術領域：
中還稱為"激活后電阻(resistanceafteractivation)"。要說明的是，當使用電氣熔接來將PTC部件連接到雙金屬片開關時，很可能傳導到PTC部件的熱量不足以引起跳閘。在這種情況下，PTC部件將在PTC部件中首次發生過流時第一次跳閘(即，PTC部件電跳閘)，之后的電阻對應于前面所述的"激活后電阻"。因此，在本發明中，"激活后電阻"意思是指市售PTC部件首次熱或電跳閘之后的電阻。焊接連接之前的PTC部件(即，市售的PTC部件本身)的電阻小于這種電阻(這種更小的電阻在相關技術中也被稱為"基本(或基準)電阻")。如上所述，當在預定電路中結合其中雙金屬片開關和PTC部件并聯連接的電路保護裝置時，在雙金屬片開關開啟時，流過雙金屬片開關的電流能夠分流到PTC部件中。例如，當PTC部件的電阻與電路的比電阻(或電弧電阻)的比值等于或小于1.1，優選為等于或小于1.0，更優選為等于或小于0.9，最優選為等于或小于0.4，特別是等于或小于0.3，并且最好是等于或小于0.2，以及例如等于或小于0.15時，當觸點之間的電功率消耗變為最大值時，可使不存在PTC部件時觸點之間所流過的電流的一半分流到PTC部件上。結果，降低了觸點之間產生電弧的可能性。在最優選的實施例中，PTC部件的電阻與電路的比電阻(或電弧電阻)的比值等于或小于0.2，以及例如等于或小于0.15。要說明的是，在根據本發明的電路保護裝置中，PTC部件的基本電阻優選等于或小于比電阻(或電弧電阻)的4/5，更優選為等于或小于比電阻(或電弧電阻)的2/3，以及例如等于或小于比電阻的1/2。相反地，當PTC部件的電阻大于電路的電弧電阻，例如為電弧電阻的兩倍時，即使PTC部件己經結合到電路中，也不足以抑制電弧的產生，而可能產生熔接。在根據本發明的電路保護裝置中，電路保護裝置中所使用的雙金屬片開關為使用雙金屬片元件的開關，并且可以使用熟知的開關。這是一種按下述方式配置的開關，即，當流過雙金屬片開關的電流超過預定的電流值并且過大時，則彼此接觸的觸點將通過所產生的熱量而分開。在這種雙金屬片開關中，給出了那些例如使用鉑、金、銀、銅、碳、鎳、錫、鉛、或這些金屬的合金(例如錫-鉛合金)作為其接觸材料的可以作為特別優選用于根據本發明的電路保護裝置的例子。其中，使用銀作為接觸材料的雙金屬片開關是特別優選的。要說明的是，在觸點之間具有相對窄的間隙的雙金屬片開關可以適用于本發明的電路保護裝置中。這種具有優選0.4-4mm，特別是等于或小于2mm，更優選為0.7-2mm，特別優選為0.8-1.5mm，以及例如大約lmm間隙的雙金屬片開關可以適用于電路保護裝置。，在根據本發明的電路保護裝置中并聯連接在雙金屬片開關上的PTC部件可以是常規的PTC部件，它本身用作電路保護裝置，并且它的導電元件可以由陶瓷或聚合物材料制成。特別優選的PTC部件為稱為聚合物PTC部件的部件，并且可以適當地使用具有導電聚合物元件的PTC部件，其中在導電聚合物元件中，導電填充物(例如碳、鎳或鎳-鈷填充物)分散在聚合物材料中(例如聚乙烯、聚偏二氟乙烯等)。10當根據本發明的電路保護裝置結合在預定電路并且正常地執行其預期功能時，所有流過電路的電流基本上將通過雙金屬片開關。因此，在本發明的電路保護裝置中，PTC部件的電阻的阻值為雙金屬片開關本身具有的電阻(通常為0.5-20毫歐)的至少10倍，優選為至少50倍，更優選為至少100倍，并且特別優選為至少300倍。圖2顯示了電路3，其中并入了根據本發明的電路保護裝置l。電路3具有預定的電氣元件(如電氣/電子裝置或部件等)6，并且電路保護裝置1串聯連接到該元件。電氣元件6用一個電阻符號標出，但是這表示包括在電路3中的單個電氣元件或多個電氣元件的組。這種電氣元件的電阻顯示為Rf，其為電路3的比電阻，并且具體由電路3的(額定電壓(Vr)/額定電流(Ir))計算出。圖2顯示了結合在其中的安培表A和電壓表V，它們用于下面例子中所說明的測量。根據本發明的電路保護裝置1包括PTC部件2和雙金屬片開關4，它們并聯電連接，或者如果未并聯電連接，則配置成可以這樣連接。PTC部件2的電阻與電路3的比電阻Rf的比值例如為一或更小，優選為二分之一或更小，更優選為1/3或更小，例如1/4或更小，并且特別為1/8或更小。此外，PTC部件的電阻例如為雙金屬片4本身具有電阻的至少10倍，優選為至少100倍。圖3顯示了在根據本發明的電路保護裝置中雙金屬片開關激活使得雙金屬片開關的觸點開啟之前和之后(圖3(a)和圖(3b))的狀態，該電路保護裝置具有PTC部件12和雙金屬片16，并且己經結合在電路中(只顯示了電路的導線10和10')。導線10和10'在它們的端部分別具有端子部分20和20'。端子部分20連接到雙金屬片的端子部分17。當電路正常操作并且其中流過適當的電流時，即，當電流經由雙金屬片開關16流動時，端子部分20，與雙金屬片開關16的觸點18接觸，如圖3(a)所示。此時，基本上所有(或大部分)電流經由雙金屬片16從導線IO流到導線10'。在圖示的實施例中，PTC部件12包括PTC元件23和設置在其兩端的電極層22與24，絕緣層26設置在PTC部件12和導線之間。PTC元件和其兩端的電極層可以與已知的PTC部件中所使用的相同，并且電極層可以在它們的外表面上具有導線。在這種實施例中，取代圖示的PTC元件23，這種PTC元件與PTC元件兩側的電極層(優選為金屬箔電極)一起形成PTC部件，并且同樣取代圖示的電極層22與24，在前面所述的外表面上形成導線，這些導線分別連接到導線IO和10'上。通過將PTC部件12和雙金屬片開關16按照前面所述的方式結合在電路中，電路就能配置成使這些元件以并聯的關系電連接。要說明的是，在所示的實施例中，另一個絕緣層26'設置在雙金屬片開關16和導線16'之間。當電路中流過異常電流從而雙金屬片開關16的溫度升高時，觸點18和端子部分20'之間的接觸狀態解除。此時，流過電路的電流瞬時從導線10流到PTC部件的電極層22，并在之后經由PTC元件23和電極層24分流到導線10'。在這種情況下，當PTC部件的激活后電阻等于或小于電路比電阻的1.1倍(Xl.l)時，相當大比例的異常電流能夠在雙金屬片開關開啟的時候分流到PTC部件上,從而極大地降低雙金屬片觸點附近的電弧的產生、熔接的產生等。之后，PTC部件將處于跳閘狀態并且實質上切斷電流的流動。在圖3中，圍繞本發明的電路保護裝置的虛線表示圍繞電路保護裝置的元件，例如機殼、外殼等。優選地，根據本發明的保護裝置進一步具有這樣一種元件，它在防止來自雙金屬片開關和PTC部件的熱量(由異常電流所產生)的消散方面非常有用，從而可以維持雙金屬片開關的鎖住狀態。此外在所示的實施例中，由于PTC部件12和雙金屬片開關16是相鄰但是由相對窄的間隙30隔開的，從而PTC部件由于異常電流而導致跳閘時熱量能夠輕易地影響雙金屬片開關，這種相鄰情況在維持雙金屬片開關的鎖住狀態時是非常有利的。圖4同樣顯示了根據本發明的電路保護裝置處于雙金屬片開關激活之前狀態的另一個實施例。在這個實施例中，雙金屬片開關16和PTC部件彼此分離。導線10'以及絕緣層26與26'設置在雙金屬片開關16和PTC部件12之間，因此，與圖3的實施例相比，PTC部件12和雙金屬片開關16隔得更開，從而雙金屬片開關更不容易受前面所說明的熱量的影響。然而，由于雙金屬片部件和PTC部件僅僅配置為一個重疊在另一個之上，這對于制造該裝置是很有利的。實施例1使用市售的及下文所述的PTC部件、雙金屬片開關和電氣元件(電阻，其阻值Rf=2.67Q)，可以構造圖2所示的電路，同時將電路保護裝置并入電路中PTC部件泰科電子瑞侃公司制造(TycoElectronicsRaychem)，商品名稱RXE010，基本電阻2.6Q，激活后電阻4.21Q。雙金屬片開關森薩塔科技公司(SensataTechnologies)制造，商品名稱9700K21-215熱保護裝置，觸點間隙lmm，雙金屬片開關的電阻11.66Q。施加DC48V/18A(因此比電阻《.67Q-Rf),其為雙金屬片開關的最大觸點額定值(contactrating)的兩倍，并且這時的電流(流過雙金屬片開關的電流)波形和電壓(雙金屬片開關兩端之間的電壓，即，通過雙金屬片的電壓降)波形用結合在圖2所示的電路中的安培表A和電壓表V來測量。圖5顯示了所測量的電流和電壓的波形(要說明的是振蕩波形顯示為己被平滑)。在圖5的圖表中，縱軸表示電壓和電流值，每個刻度(雙端箭頭的長度)為5A和10V，而橫軸表示時間，每個刻度為40ms(毫秒)。13從圖5可以看出，在雙金屬片開關觸點開啟動作開始時(時間=0)約經過146ms之后，電流和電壓值返回觸點開啟之前的值。這樣，在本實施例中，電路保護裝置不發揮其功能。當檢查雙金屬片開關時，發現觸點中產生熔接。實施例2除了所使用的市售PTC部件更換成下面所示的另一種PTC部件之外，重復實施例1:PTC部件泰科電子瑞佤公司制造(TycoElectronicsRaychem)，商品名稱RXE025，基本電阻1.5Q，激活后電阻2.31Q。圖6顯示了所測量的電流和電壓的波形圖。在圖6的圖表中，縱軸表示電壓和電流，每個刻度(雙端箭頭的長度)為5A和IOV，而橫軸表示時間，每個刻度為100us。從圖6可以看出，流過雙金屬片部件的電流瞬時減小，換言之它轉向了PTC。因此，在本實施例中，電路保護裝置發揮其功能。實施例3除了所使用的市售PTC部件更換成下面所示的再一種PTC部件之外，重復實施例1:PTC部件泰科電子瑞伲公司制造(丁ycoElectronicsRaychem)，商品名稱RXE040,基本電阻0.67Q，激活后電阻L02Q。圖7顯示了所測量的電流和電壓的波形圖。在圖7的圖表中，縱軸表示電壓和電流，每個刻度(雙端箭頭的長度)為5A和10V，而橫軸表示時間，每個刻度為100us。從圖7可以看出，流過雙金屬片部件的電流瞬時減小，換言之它轉向了PTC。這樣，在本實施例中，電路保護裝置發揮其功能。實施例4除了所使用的市售PTC部件更換成下面所示的另一種PTC部件并且額定電壓/電流為48V-DC/20A(因此，比電阻為2.4Q)之外，重復實施例1:PTC部件泰科電子瑞佩公司制造(TycoElectronicsRaychem)，商品名稱RXE135,基本電阻0.18Q，激活后電阻0.3Q。同樣在本實施例中，得到類似于實施例3的電流和電壓的測量結果。因此，在本實施例中，電路保護裝置發揮其功能。實施例5除了所使用的市售PTC部件更換成下面所示的另一種PTC部件之外，重復實施例l:PTC部件泰科電子瑞促L公司制造(TycoElectronicsRaychem)，商品名稱RXE020，基本電阻1.8Q，激活后電阻2.82Q。同樣在本實施例中，得到類似于實施例3的電流和電壓的測量結果。因此，在本實施例中電路保護裝置發揮其功能。上述實施例的結果整理在下面的表1中表l<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>工業應用性根據本發明的電路保護裝置能夠降低雙金屬片開關的觸點附近產生電弧及產生熔接的可能性。如本領域技術人員所知，雙金屬片幵關是一種根據熱量而以它的觸點開啟的方式起作用的開關，其包括由熱敏材料制成的雙金屬片元件和至少一對機械觸點。因此，根據以上描述，本領域技術人員可以理解的是，，具有觸點的其它機械開關，例如繼電器(特別是電磁繼電器)能夠用來代替根據本發明的電路保護裝置中的雙金屬片開關。因此，在本發明的最大的保護范圍中，本發明提供了一種包括具有觸點的機械開關(例如，繼電器、雙金屬片開關等)和PTC部件的電路保護裝置，其特征在于具有觸點的機械開關和PTC部件并聯電連接；并且PTC部件具有等于或小于將要結合有電路保護裝置的電路的比電阻的l.l倍(即，i.ix)的激活后電阻，其中基于電路的額定電壓和額定電流，按照下述等式(l)來計算電路的比電阻額定電壓/額定電流=比電阻(1)。權利要求1.一種包括雙金屬片開關和PTC部件的電路保護裝置，其特征在于雙金屬片開關和PTC部件并聯電連接；并且PTC部件具有等于或小于將要結合有所述電路保護裝置的電路的比電阻的1.1倍的激活后電阻，其中根據下述等式(1)，基于電路的額定電壓和額定電流來計算電路的比電阻額定電壓/額定電流＝比電阻(1)。2.如權利要求1所述的電路保護裝置，其特征在于，PTC部件具有等于或小于比電阻的0.9倍的激活后電阻。3.如權利要求2所述的電路保護裝置，其特征在于，PTC部件具有等于或小于比電阻的0.4倍的激活后電阻。4.如權利要求1-3任意一項所述的電路保護裝置，其特征在于，PTC部件具有等于或小于比電阻的三分之二的基本電阻。5.如權利要求1-4任意一項所述的電路保護裝置，其特征在于，PTC部件具有至少為雙金屬片開關的電阻的十倍的基本電阻。6.如權利要求5所述的電路保護裝置，其特征在于，PTC部件具有至少為雙金屬片開關的電阻的100倍的基本電阻。7.如權利要求l-6任意一項所述的電路保護裝置，其特征在于，PTC部件為聚合物PTC部件。8.—種包括如權利要求l-7任意一項所述的電路保護裝置的電路。全文摘要本發明提供一種能夠進一步提高保護電路的可能性的電路保護裝置。在電路保護裝置(1)中，包括雙金屬片開關(4)和PTC部件(2)，雙金屬片開關和PTC部件并聯電連接，并且PTC部件具有等于或小于將要結合有所述電路保護裝置的電路的比電阻的1.1倍的激活后電阻，其中根據下述等式(1)，基于電路的額定電壓和額定電流來計算電路的比電阻額定電壓/額定電流＝比電阻(1)。文檔編號H02H7/00GK101647168SQ200880008578公開日2010年2月10日申請日期2008年3月11日優先權日2007年3月16日發明者鈴木克彰申請人:泰科電子瑞侃株式會社