感溫限流保護組件的製作方法

2023-09-19 11:50:45

感溫限流保護組件的製作方法
【專利摘要】本實用新型揭示了一種感溫限流保護組件，其包括第一導電層，包含依序排列且互相隔離的複數個電極箔；第二導電層；PTC材料層，疊設於所述第一導電層及所述第二導電層之間；以及複數個溫度感測開關，依序設置於相鄰的複數個所述電極箔之間；其中所述溫度感測開關的臨界溫度均低於所述PTC材料層的觸發溫度，且所述溫度感測開關的臨界溫度依排列順序遞減。本實用新型通過改變有效導電面積，可減少通過組件的電流。當瞬間過電流發生時，可瞬間提供其電阻而具有過電流保護的功效。
【專利說明】
感溫限流保護組件
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於電流保護技術領域，特別是涉及一種感溫限流保護組件。
【【背景技術】】
[0002]習知的PTC組件的電阻值對溫度變化的反應相當敏銳。當PTC組件在正常使用狀況時，其電阻可維持極低值而使電路得以正常運作。但是當發生過電流或過高溫的現象而使溫度上升至一特定溫度時，其電阻值會瞬間彈跳至一高電阻狀態(例如12 Ω以上)，即所謂觸發(trip)，而將過量的電流反向抵消，以達到保護電池或電路組件的目的。
[0003]PTC組件的觸發溫度主要取決於材料的種類，例如為了滿足電池的低溫工作環境所需，常會採用觸發溫度較低的低溫高分子材料。不過採用觸發溫度較低的低溫材料也會導致PTC組件的維持電流(hoId current)下降。尤其是在電池的應用上，在較高的溫度下(例如:60°C或70°C )，必須仍然要有相當高的維持電流，卻必須在80 0C以下快速觸發，若單靠調整熱敏電阻的材料，是很難達到這樣的功能。因為若要在60-70°C達到高維持電流必須使用高溫材料(例如高密度聚乙烯HDPE)，但若使用高溫材料就不能夠達到80 0C以下快速觸發的要求。若使用低溫材料(例如低密度聚乙烯LDPE)是可以達到80°C以下快速觸發的要求，卻無法在60-70 0C達到高維持電流。
[0004]
【申請人】根據前述問題已經公開相關專利，其中美國專利US8461956即揭露相關技術內容。US8461956的組件設計大小不同兩電極箔，且使用溫度感測開關決定兩者間的導通或限流，其中溫度感測開關的臨界溫度小於PTC組件的觸發溫度。正常狀態下，兩電極箔導通而具有最大的有效導電面積，然而當溫度升高至超過溫度感測開關的臨界溫度時，溫度感測開關將限制電流流經較大面積的電極箔，而迫使所有電流流經較小面積的電極箔，此瞬間的過電流將使得PTC組件觸發，而得以達到低溫觸發和高維持電流的特性。
[0005]但是，在某些需要電流調整而不特別要求低溫觸發的實務應用上，上述大小電極箔的設計並不適宜提供漸次調整電流的功能，即逐漸降低電流而達成限流保護，故無法滿足相關應用的需求。
[0006]因此，有必要提供一種新的感溫限流保護組件來解決上述問題。
【【實用新型內容】】
[0007]本實用新型的主要目的在於提供一種感溫限流保護組件，通過改變有效導電面積，可減少通過組件的電流。當瞬間過電流發生時，可瞬間提供其電阻而具有過電流保護的功效。
[0008]本實用新型通過技術方案之一實現上述目的:一種感溫限流保護組件，其包括
[0009]第一導電層，包含依序排列且互相隔離的複數個電極箔；
[0010]第二導電層；
[0011]PTC材料層，疊設於所述第一導電層及所述第二導電層之間；以及
[0012]複數個溫度感測開關，依序設置於相鄰的複數個所述電極箔之間；
[0013]其中所述溫度感測開關的臨界溫度均低於所述PTC材料層的觸發溫度，且所述溫度感測開關的臨界溫度依排列順序遞減。
[0014]進一步的，所述電極箔、所述PTC材料層以及所述第二導電層形成導電路徑，當瞬間過電流通過所述導電路徑時，觸發所述PTC材料層由低電阻狀態成為高電阻狀態而達到過電流保護的作用，當過電流狀況解除後，所述PTC材料層恢復原先低電阻狀態。
[0015]進一步的，所述溫度感測開關的個數較所述電極箔的個數少一個，且所述第一導電層包含至少有3個所述電極箔。
[0016]進一步的，所述電極箔物理接觸所述PTC材料層的上表面，所述第二導電層物理接觸所述PTC材料層的下表面，相鄰的所述電極箔間以溝槽隔離。
[0017]進一步的，所述溫度感測開關包含填入所述溝槽的PTC油墨材料。
[0018]進一步的，所述第一導電層、所述PTC材料層和所述第二導電層形成與所述電極箔個數相同的並聯電路，且各所述並聯電路包含一個PTC熱敏電阻組件。
[0019]進一步的，所有的所述並聯電路中除一個以外，其餘的各自串聯一個所述溫度感測開關。
[0020]進一步的，當溫度達到所述溫度感測開關的個別臨界溫度時，電流遞減幅度為5%
至 40 %。
[0021 ]本實用新型通過技術方案之二實現上述目的:一種感溫限流保護組件，其包括
[0022]第一導電層，包含η個依序排列且有間隔隔離的第I至第η電極箔，其中η為大於等於3的正整數，η個所述電極箔在同一平面上；
[0023]第二導電層；
[0024]PTC材料層，疊設於所述第一導電層及所述第二導電層之間；
[0025]η-1個溫度感測開關，包含第I至第η-1溫度感測開關，依序設置於相鄰的第I和第2所述電極箔至第η-1和第η個所述電極箔之間，串接η個所述電極箔，各所述溫度感測開關根據溫度變化，切換相鄰所述電極箔間為電氣導通或限流狀態；
[0026]其中η-1個所述溫度感測開關的臨界溫度低於所述PTC材料層的觸發溫度，且第I至第η-1個所述溫度感測開關的臨界溫度依序遞減。
[0027]進一步的，所述第一導電層、所述PTC材料層和所述第二導電層形成η個並聯電路，且各所述並聯電路包含一個PTC熱敏電阻組件。
[0028]與現有技術相比，本實用新型一種感溫限流保護組件的有益效果在於:其設計為包含第一導電層、PTC材料層、第二導電層的疊層結構，且於該第一導電層中設置溫度感測開關以控制其有效導電面積;可在溫度逐漸升高時漸次遞減通過組件的電流，根據溫度變化調節電流，從而減緩溫度上升的速度;在過電流發生時，可瞬間提高電阻值，從而提供有效的過電流保護的功效。
【【附圖說明】
】
[0029]圖1為本實用新型實施例一的結構示意圖；
[0030]圖2為本實用新型實施例一的電流和溫度的關係示意圖；
[0031]圖3為本實用新型實施例一的等效電路圖；
[0032]圖4為本實用新型實施例二的結構示意圖；
[0033]圖中數字表示:
[0034]10,40感溫限流保護組件
[0035]11、41第一導電層
[0036]12,42 PTC材料層
[0037]13,43第二導電層
[0038]14,44第一溫度感測開關
[0039]15,45第二溫度感測開關
[0040]21第一 PTC熱敏電阻[0041 ]22第二PTC熱敏電阻
[0042]23第三PTC熱敏電阻
[0043]46導電層
[0044]47第一外接電極
[0045]48第二外接電極
[0046]49絕緣層
[0047]50導電連接件
[0048]111、411 第一電極箔
[0049]112、412 第二電極箔
[0050]113,413第三電極箔
【【具體實施方式】】
[0051 ] 實施例一
[0052]圖1顯示本實施例的感溫限流保護組件10，其中PTC材料層12疊設於第一導電層11和第二導電層12之間。更精確而言，本實施例中第一導電層11物理接觸PTC材料層12的上表面，而第二導電層13則物理接觸該PTC材料層12的下表面。第一導電層11包含依序排列且互相隔離的第一電極箔111、第二電極箔112和第三電極箔113，且相鄰的電極箔之間以溝槽隔離。第一電極箔111、第二電極箔112和第三電極箔113均位於該PTC材料層12的上表面，而位於同一平面上。各電極箔的面積約相同或差距不大於20%、15%或10%。第一電極箔111和第二電極箔112之間的隔離溝槽中設置有第一溫度感測開關14，而第二電極箔112和第三電極箔113之間設置有第二溫度感測開關15。第一和第二溫度感測開關14和15可分別根據其臨界溫度，切換相鄰第一電極箔111和第二電極箔112間、第二電極箔112和第三電極箔113間為電氣導通或限流狀態。當溫度上升達到第一溫度感測開關14的臨界溫度時，第一溫度感測開關14將阻止大部分的電流通過第一電極箔111和第二電極箔112之間，而成限流狀態，或甚至形成電氣斷路(即限流的極端狀態)。同樣地，當溫度上升達到第二溫度感測開關15的臨界溫度時，第二溫度感測開關15將阻止大部分的電流通過第二電極箔112和第三電極箔113之間，而成限流狀態。
[0053]感溫限流保護組件10在應用時，第一電極箔111和第二導電層13可分別連接外接電極片(lead)，以連接至相關電路或負載。當溫度感測開關14和15均未達其臨界溫度時，第一電極箔111、第二電極箔112和第三電極箔113間均為導通，其中電流流經第一導電層11、PTC材料層12及第二導電層13形成的導電路徑。溫度感測開關14和15的臨界溫度均低於該PTC材料層12的觸發溫度，以確保PTC材料層12不會先行觸發。本實施例中，第一和第二溫度感測開關14和15的臨界溫度依由右向左排列順序遞減，也就是第一溫度感測開關14開始限流的臨界溫度高於第二溫度感測開關15的臨界溫度。
[0054]當溫度逐漸上升至超過第二溫度感測開關15的臨界溫度時，第一導電層11中第二電極箔112和第三電極箔113間將成限流狀態，使得第一導電層11中只有第一電極箔111和第二電極箔112導通提供有效導電面積。因有效的導通面積減少，按電阻公式R = PXL/A(R為電阻，P為材料電阻率，L為導線長度，A為導線面積)，因面積A減少，電阻R將增加，故電流將相應降低。當溫度進一步上升至超過第一溫度感測開關14的臨界溫度時，第一電極箔111和第二電極箔112間將進一步成限流狀態。使得第一導電層11中只有第一電極箔111導通，因此有效的導通面積將進一步減少，使得導電路徑中的電流將進一步降低。綜上所述，當溫度逐漸上升分別超過第二溫度感測開關15和第一溫度感測開關14的個別臨界溫度時，第一導電層11中有效導通面積(導通的電極箔個數)相應減少，從而遞減組件中的流通電流。
[0055]前述電流隨溫度遞減的型態如圖2所示，其中溫度B為第二溫度感測開關15的臨界溫度，溫度A則為第一溫度感測開關14的臨界溫度。因PTC材料層12有隨溫度升高而增加電阻值的特性，因此電流將隨溫度升高而緩慢降低。當溫度上升到達溫度B時，因第二溫度感測開關15的限流作用，將使有效導通面積限於第一電極箔111和第二電極箔112，而使得電流驟降。若溫度繼續上升至溫度A時，因第一溫度感測開關14的限流作用，將使得有效導通面積僅限於第一電極箔111，使得電流進一步降低。據此，可依需求選擇不同臨界溫度的溫度感測開關控制電流，依溫度控制導通的電極箔個數而達到限流的效果。隨溫度上升，導通的電極箔個數相應減少，從而遞減導電路徑中的電流。控制電極箔的面積可調整到達溫度感測開關的臨界溫度時電流驟降的幅度，一般溫度到達溫度感測開關的個別臨界溫度時，每次電流降低幅度在5 %至40 %，例如10 %、15 %、20 %或30 %。此外，當瞬間過電流通過該導電路徑時，可觸發該PTC材料層12電阻狀態成為高電阻狀態而達到過電流保護的作用，當過電流狀況解除後，該PTC材料層12回復原先低電阻狀態。
[0056]當溫度感測開關14和15為導通狀態時，電流將經由第一電極箔111、第二電極箔112和第三電極箔113進入PTC材料層12，之後再經由第二導電層13流出。若將第一電極箔111、PTC材料層12及第二導電層13的路徑設為第一導電路徑，第二電極箔112、PTC材料層12及第二導電層13設為第二導電路徑，且第三電極箔113、PTC材料層12及第二導電層13設為第三導電路徑，亦即電流同時通過該第一、第二與第三導電路徑，此時組件有高的維持電流，也有高的觸發電流(trip current)。當溫度達到溫度感測開關15的臨界溫度時，溫度感測開關15將切換為限流狀態，使得電流無法流經第三導電路徑，而被迫僅能流經第一和第二導電路徑。但因有效導電面積減少，電阻增加反向降低電流，形成限流保護。類似地，當溫度繼續上升達到溫度感測開關14的臨界溫度時，溫度感測開關14將切換為限流狀態，使得電流無法流經第二和三導電路徑，而被迫僅能流經第一導電路徑，形成限流保護。
[0057]上述感溫限流組件10的等效電路圖如圖3所示，其中包含3個並聯的導電路徑。第一電極箔111、PTC材料層12及第二導電層13形成的第一導電路徑中包含第一PTC熱敏電阻21。第二電極箔112、PTC材料層12及第二導電層13形成的第二導電路徑中包含第二 PTC熱敏電阻22。第三電極箔113、PTC材料層12及第二導電層13形成的第三導電路徑中包含第三PTC熱敏電阻23。若第一電極箔111、第二電極箔112和第三電極箔113的面積約相同時，因有效導電面積相同，第一PTC熱敏電阻21、第二PTC熱敏電阻22和第三PTC熱敏電阻23的電阻值約相同。當溫度未達第二溫度感測開關15的臨界溫度時，電流流經第一、第二和第三導電路徑。當瞬間過電流通過該第一至第三導電路徑時，第一至第三PTC熱敏電阻21至23將由低電阻狀態成為高電阻狀態而達到過電流保護的作用。當溫度超過第二溫度感測開關15的臨界溫度時，溫度感測開關15將切換為限流狀態，迫使電流流經第一 PTC熱敏電阻21及第二 PTC熱敏電阻22，等於少了原本並聯的第三導電路徑，因此整體電阻值將增加，進而降低電流。當溫度進一步超過第一溫度感測開關14的臨界溫度時，溫度感測開關14將切換為限流狀態，迫使電流瞬間只流經第一 PTC熱敏電阻21，等於少了原本並聯的第二和第三導電路徑，因此整體電阻值將進一步增加從而降低電流，如圖2所示的情況。
[0058]一實施例中，第一和第二溫度感測開關14和15可為PTC油墨材料，而具有電阻可回復性，且方便使用網印方式製作。但需選用低溫觸發的材質，使第一和第二溫度感測開關14和15的觸發溫度較PTC材料層12的觸發溫度為低。具低溫觸發材料的溫度感測開關14或15觸發時，其電阻將彈升而大幅降低及限制其中流經的電流，而達到「限流」狀態。申言之，斷路即為「限流」的極端狀態，完全不允許電流流經溫度感測開關14或15。另一實施例中，溫度感測開關14和15可利用精密機械技術製作的金屬簧片開關，利用熱脹冷縮的原理，達到開關切換為導通或斷路的功能。
[0059]一實施例中，PTC材料層12的觸發溫度介於90-160 °C，例如:100 °C、120 °C或140 °C。溫度感測開關的臨界溫度約在60-90°C之間。一實施例中，第二溫度感測開關15的臨界溫度介於60?74°C，例如:67°C、72°C，第一溫度感測開關14的臨界溫度介於75?90°C，例如77°(:、80°(:或85°(:。
[0060]本實用新型不限於上述第一導電層11包含3個電極箔的情況，第一導電層11亦可分割成更多個電極箔，從而可以進行更多溫度階段的電流控制。申言之，第一導電層包含η個依序排列且有間隔隔離的第I至第η電極箔，其中η為大於等於3的正整數，該η個電極箔在同一平面上。溫度感測開關有η-1個，即包含第I至第η-1溫度感測開關，依序設置於相鄰的第I和第2電極箔至第η-1和第η個電極箔之間而串接該η個電極箔。各溫度感測開關根據溫度變化，切換相鄰電極箔間為電氣導通或限流狀態。該η-1個溫度感測開關的臨界溫度均低於該PTC材料層的觸發溫度，且第I至第η-1溫度感測開關的臨界溫度依序遞減。當所有的η-1個溫度感測開關為導通時，電流系流經第I至第η電極箔、PTC材料層及第二導電層形成的導電路徑。當瞬間過電流通過該導電路徑時，觸發該PTC材料層由低電阻狀態成為高電阻狀態而達到過電流保護的作用，當過電流狀況解除後，該PTC材料層恢復原先低電阻狀態。當溫度超過第m個溫度感測開關的臨界溫度時，其中m等於I至η-1中的一數值，該第m至第η-1個溫度感測開關切換為限流狀態，促使電流流經第I至第m個電極箔、PTC材料層組件及第二導電層形成的導電路徑，從而降低電流流通。
[0061]第一導電層11、第二導電層13的材料可為鎳、銅、鋅、銀、金、及前述金屬所組成的合金或多層材料，例如鍍鎳銅箔、鍍錫銅箔等。PTC材料層12中含有結晶性高分子聚合物及導電粒子。結晶性高分子聚合物適用的材料包括:聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯、前述的混合物或共聚合物等。導電粒子可為金屬粒子、含碳粒子、金屬碳化物、金屬硼化物，或是前述材料的混合物、固溶體或核殼體。例如導電粒子可選自碳黑、鎳粉、碳化鈦(TiC)或碳化鎢(WC)等。
[0062]實施例二
[0063]實施例一中除了第一電極箔111和第二導電層13可直接連接外接電極片形成軸型(axial-leaded)感溫限流保護組件外，亦可在結構上略加變化，製作成表面黏著型(surface-mount type)的感溫限流組件，如圖4所示。感溫限流保護組件40包含第一導電層41、第二導電層43、PTC材料層42、第一溫度感測開關44、第二溫度感測開關45、導電層46、第一外接電極47、第二外接電極48、絕緣層49以及導電連接件50ITC材料層42疊設於第一導電層41及第二導電層43之間。第一外接電極47及第二外接電極48設於第二導電構件43的同一側，亦即組件40下方，作為外接電源的接口。第二導電層43與第二外接電極48間以導電層46作電氣連接。第一導電層41包含位於同一平面的第一電極箔411、第二電極箔412及第三電極箔413。第一電極箔411及第二電極箔412間以溝槽隔離，且溝槽中設置第一溫度感測開關44。第二電極箔412和第三電極箔413間以溝槽隔離，且溝槽中設置第二溫度感測開關45。一實施例中，第一電極箔411、第二電極箔412和第三電極箔413的面積約相等，或差距在20%、15%或10%以內，如此有效導電面積不致於隨溫度改變時而有過大的變化，以避免迫使瞬間電流流經過小的有效導電面積所導致不預期的PTC材料層42觸發。絕緣層49設於第一外接電極47及第二導電層43之間，於兩者間進行電氣隔離。導電連接件50在本實施例中為表面鍍有導電膜的半圓導電通孔，其連接第一外接電極47及第一電極箔411，用於兩者間的電氣導通。第一溫度感測開關44的臨界溫度低於PTC材料層43的觸發溫度。第二溫度感測開關45的臨界溫度低於PTC材料層43的觸發溫度，且低於第一溫度感測開關44的臨界溫度。溫度感測開關44和45感應環境溫度而變化。當溫度感測開關44和45的溫度均小於其臨界溫度時，溫度感測開關44和45為導通，當溫度大於等於其臨界溫度時，溫度感測開關44和45將切換為限流狀態(例如高電阻狀態或斷路)。一實施例中，溫度感測開關44和45可為PTC油墨材料，但需選用低溫觸發的材質，使其觸發溫度較PTC材料層42的觸發溫度為低。溫度感測開關44和45亦可為金屬簧片開關，利用熱脹冷縮的原理，達到開關切換為導通或斷路的功會K。
[0064]除以上軸型和表面黏著型的組件設計外，其亦可基於相同原理利用不同的導電連接技術，形成各式的感溫限流組件，而仍為本實用新型所涵蓋。本實用新型除了保有PTC組件本身原有的過電流保護特性外，亦可提供不同溫度的階段式降低電流的限流特性，而特別適合於高溫場合的電流調整應用。
[0065]以上所述的僅是本實用新型的一些實施方式。對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型創造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本實用新型的保護範圍。
【主權項】
1.一種感溫限流保護組件，其特徵在於:其包括 第一導電層，包含依序排列且互相隔離的複數個電極箔； 第二導電層； PTC材料層，疊設於所述第一導電層及所述第二導電層之間；以及 複數個溫度感測開關，依序設置於相鄰的複數個所述電極箔之間； 其中所述溫度感測開關的臨界溫度均低於所述PTC材料層的觸發溫度，且所述溫度感測開關的臨界溫度依排列順序遞減。2.如權利要求1所述的感溫限流保護組件，其特徵在於:所述電極箔、所述PTC材料層以及所述第二導電層形成導電路徑，當瞬間過電流通過所述導電路徑時，觸發所述PTC材料層由低電阻狀態成為高電阻狀態而達到過電流保護的作用，當過電流狀況解除後，所述PTC材料層恢復原先低電阻狀態。3.如權利要求1所述的感溫限流保護組件，其特徵在於:所述溫度感測開關的個數較所述電極箔的個數少一個，且所述第一導電層包含至少有3個所述電極箔。4.如權利要求1所述的感溫限流保護組件，其特徵在於:所述電極箔物理接觸所述PTC材料層的上表面，所述第二導電層物理接觸所述PTC材料層的下表面，相鄰的所述電極箔間以溝槽隔離。5.如權利要求4所述的感溫限流保護組件，其特徵在於:所述溫度感測開關包含填入所述溝槽的PTC油墨材料。6.如權利要求1所述的感溫限流保護組件，其特徵在於:所述第一導電層、所述PTC材料層和所述第二導電層形成與所述電極箔個數相同的並聯電路，且各所述並聯電路包含一個PTC熱敏電阻組件。7.如權利要求6所述的感溫限流保護組件，其特徵在於:所有的所述並聯電路中除一個以外，其餘的各自串聯一個所述溫度感測開關。8.如權利要求7所述的感溫限流保護組件，其特徵在於:當溫度達到所述溫度感測開關的個別臨界溫度時，電流遞減幅度為5%至40%。9.一種感溫限流保護組件，其特徵在於:其包括 第一導電層，包含η個依序排列且有間隔隔離的第I至第η電極箔，其中η為大於等於3的正整數，η個所述電極箔在同一平面上； 第二導電層； PTC材料層，疊設於所述第一導電層及所述第二導電層之間； η-1個溫度感測開關，包含第I至第η-1溫度感測開關，依序設置於相鄰的第I和第2所述電極箔至第η-1和第η個所述電極箔之間，串接η個所述電極箔，各所述溫度感測開關根據溫度變化，切換相鄰所述電極箔間為電氣導通或限流狀態； 其中η-1個所述溫度感測開關的臨界溫度低於所述PTC材料層的觸發溫度，且第I至第η-1個所述溫度感測開關的臨界溫度依序遞減。10.如權利要求9所述的感溫限流保護組件，其特徵在於:所述第一導電層、所述PTC材料層和所述第二導電層形成η個並聯電路，且各所述並聯電路包含一個PTC熱敏電阻組件。
【文檔編號】H01C7/02GK205723030SQ201620629804
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月23日
【發明人】王紹裘, 曾郡騰
【申請人】崑山聚達電子有限公司