包含壓敏電阻材料晶片的過電壓保護裝置的製作方法

2023-10-18 09:55:24 4

專利名稱：包含壓敏電阻材料晶片的過電壓保護裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電壓過衝保護裝置，尤其是包含壓敏電阻材料晶片的電壓過衝保護裝置。
背景技術：
對民用和商用及公用機構設備提供動力的供電線路上經常加有過量電壓。這種過量電壓即電壓尖峰可能由於閃電等而產生。通訊傳輸中心，醫院及其它一些設施尤其關注電壓過衝問題，因為那些場所由電壓過衝所造成的設備損壞及由此引起的停工代價可能很高。
一般採用一個或幾個壓敏電阻(即隨電壓而變的電阻器)來保護設備不受電壓過衝的影響。通常將壓敏電阻直接連到AC輸入兩端並與被保護線路並聯。該壓敏電阻具有鉗制電壓的特性，一旦電壓增至規定電壓值以上，它就為過電壓電流形成一個低阻分路，以降低損壞敏感元件的可能性。一般在保護線路中提供線路保險器，它在電流過大或壓敏電阻元件失效時可能爆裂或衰耗。
依照不同的應用壓敏電阻有幾種結構設計。對於防護通信設備等重負荷應用(例如，過衝電流容量在60至200kA左右的範圍內)，一般使用塊狀壓敏電阻。塊狀壓敏電阻通常包含一個裝在塑料外殼內的盤形壓敏電阻元件。該壓敏電阻盤是通過電壓鑄金屬氧化物材料(如氧化鋅)或其它合適的材料(如碳化矽)而形成的。通過火焰噴射將銅或其它導電材料噴到盤的背面。在已塗敷的背面接合一些環形電極，而且它和電極組件被封閉在塑料外殼內。這類塊狀壓敏電阻的例子有Siemens Matsushita Components GmbHCo.KG的產品No.SIOV-B860K250，和Harris公司的產品No.V271BA60。
另一種壓敏電阻結構包含罩在盤形二極體管殼內的高能壓敏電阻盤。該二極體管殼有一組相對的電極板，且壓敏電阻盤處在電極之間。電極中的一個或兩個包含一個處在電極板和壓敏電阻盤之間的彈性元件，將壓敏電阻盤固定到位。彈性元件只提供與壓敏電阻盤比較小的接觸面積。
另一種類型的採用壓敏電阻晶片的過電壓保護裝置是希臘Raycap公司的Strikesorb過流保護模塊，它可以形成RayvossTM瞬間電壓過衝抑制系統的一部分。

發明內容
本發明各實施例的目標是一種過電壓保護裝置，它在提供安全持久和連貫地處理極端、重複和/或壽命終止的過電壓狀況方面有一些優點。
按照本發明各實施例，過電壓保護裝置包括第一和第二導電電極元件，由壓敏電阻材料形成且與第一和第二電極元件中每一個電連接的壓敏電阻元件，和一個導電可熔元件。該可熔元件由於該裝置內的熱量而熔化，並通過可熔元件在第一和第二電極元件之間形成電流通路。
按照某些實施例，由可熔元件形成的電流通路在第一至第二電極元件之間一直延伸，同時可熔元件與第一和第二電極元件中的每一個相連接。
可熔元件可由金屬形成。按照某些實施例，可熔元件的熔點在110至160℃之間。
按照某些實施例，第一電極元件包含一個外殼，由它界定一個室，可熔元件和第二電極元件的至少一部分處在該室內。按照某些實施例，可熔元件被安裝在該室內的那部分第二電極元件上。
按照某些實施例，在第一和第二電極元件間的室內有一個導電加強元件，該加強元件由熔點高於外殼材料熔點的材料製成，且安置在可接收第二電極元件產生的電火花的地方。該室可以密封。按照某些實施例，在該室內有一個電絕緣元件，它嵌在第一和第二電極元件之間。
按照某些實施例，過電壓保護裝置包括一個由壓敏電阻材料做的壓敏電阻元件和一個導電可熔元件。該裝置使電流流過對過電壓起反應的壓敏電阻元件。該可熔元件由於該裝置內的熱量而熔化，並在裝置內形成一個新的電流通路，以阻止裝置的至少某些電誘發加熱。按照某些實施例，新的電流通路使電流流出壓敏電阻元件。
按照本發明各種方法的實施例，提供過電壓保護的方法包括提供一種過電壓保護裝置，它包含第一和第二導電電極元件，一個由壓敏電阻材料形成並與第一和第二電極元件中每一個電連接的壓敏電阻元件，和一個導電可熔元件。該方法還包括由於裝置內的熱量而使可熔元件熔化，以通過可熔元件在第一和第二電極元件間形成電流通路。
對於本發明的其它特徵，優點和細節，本專業技術人員可通過閱讀下面一些優選實施例的附圖和詳細說明得以了解，該說明只是本發明的一個示例。


構成本發明一部分的各附圖表示本發明的一些關鍵實施例。附圖和說明用來完整地說明本發明。附圖中圖1是按照本發明各實施例的一種過電壓保護裝置的分解透視圖。
圖2是圖1過電壓保護裝置的頂透視圖。
圖3是沿圖2中3-3線剖開的圖1過電壓保護裝置剖面圖。
圖4是沿圖2中3-3線剖開的圖1過電壓保護裝置剖面圖，其中過電壓保護裝置的可熔元件通過在縱向熔化而重新改變結構。
圖5是沿圖2中3-3線剖開的圖1過電壓保護裝置剖面圖，其中可熔元件已通過在橫向熔化而重新改變結構。
圖6是包含按照本發明各實施例的圖1的過電壓保護裝置的一個電路示意圖。
圖7是按照本發明另一些實施例的過電壓保護裝置剖面圖。
圖8是按照本發明另一些實施例的可熔元件組件的分解透視圖。
圖9是按照本發明另一些實施例的可熔元件組件的分解頂視圖。
具體實施例方式
現在將參考各附圖較全面地對本發明加以說明，附圖表示本發明實施例的示例。為清楚起見，圖中各區域的相對大小或尺寸有所誇大。不過，本發明可以按照許多不同的形式實現，而不限於這裡展現的各實施例，正相反，之所以提供這些實施例，是為了使本說明更完整更全面，並將本發明的範疇完整地傳達給本專業技術人員。
應當明白，當說到一個元件與另一個元件相「結合」或「連接」時，它可以是直接結合或連接到另一個元件上，也可以是存在中間的元件。相反，當說一個元件「直接結合」或「直接連接」到另一個元件上時，則不存在中間元件。圖中類似的數字表示類似的元件。
另外，表示空間相對關係的詞，如「下面」，「下方」，「下部」，「上方」，「上部」等，在這裡是為了便於說明一個元件或特徵與圖中所示其它元件或特徵的相互關係。應該明白，這些空間相互關係詞應包含除圖中所示的方位之外的其它不同裝置在使用或操作中的方位。例如，若把圖中的裝置倒過來，則所稱在其它元件或特徵「下面」或「之下」的元件將變成在其它元件或特徵的「上方」。裝置也可以是另外的取向(旋轉90度或在其它方位)，這時就要相應地改變對這裡所用的一些空間相互關係詞的理解。
為簡明扼要起見，將不對一些大家熟知的功能或結構作說明。
這裡引用的「和/或」一詞包括一個或幾個所列相關內容的任意和全部組合。
這裡所用的術語僅僅是為了說明各具體實施例，而不是對本發明的限制。除非文中清楚地指明，這裡所用的單數形式「一」，「一個」和「該」也包括其複數形式。還應明白，當本說明用術語「包括」和/或「包含」來說明指明的特徵、整數、步驟、操作、元件的存在時，並不排斥一個或幾個其它特徵，整數、步驟、操作、元件「和/或」其組合的存在或增添。
除非特別指明，此處用到的全部術語(包括技術和科學術語)具有本發明所屬行業專業技術人員通常所了解的相同意義。還應明白，應把常用詞典中定義的術語理解為具有與相關行業範圍內相一致的意義，且除非特別說明，不應作理想化的或太形式化的理解。
這裡所用的「晶片」一詞，是表示厚度比直徑、長度或寬度更小的基片。
參照圖1-5，其中顯示按照本發明第一實施例的過電壓保護裝置100。該裝置100具有長度方向的軸線A-A(圖3)。裝置100包括外殼120，活塞形電極130，壓敏電阻材料晶片110，和下面將會詳細討論的其它一些元件。外殼有一個端電極壁122(圖3)和一個從電極壁122伸出的圓柱側壁124，側壁124和電極壁122形成一個室或腔體121，它與開口126連通。從外殼120向外伸出一個螺紋柱或螺柱129(圖3)。電極130有一個處在腔體121內的端部132和一體化的軸134，後者向外穿過開口126。壓敏電阻晶片110處在腔體121內電極壁122和端部132之間並與其中每一個相接觸。該裝置100還包括一個導電可熔元件180，後者可防止裝置過熱或熱失控，這在下面會詳細討論。
使用時可將裝置100直接連接到AC或DC輸入(如供電箱)兩端。供電線直接或間接連接至電極軸134和外殼柱129的每一個上，使通過電極130，壓敏電阻晶片110，外殼電極壁122和外殼柱129提供一個電流通路。未出現過電壓狀態時，壓敏電阻晶片110提供高電阻，使得流過裝置100的電流不大，就好象在電氣上是開路的。在過電壓狀態(相對於該裝置的設計電壓而言)下，壓敏電阻晶片的電阻急劇減小，使電流流過裝置100並產生電流短路，以保護相關電氣系統其它元件。本專業技術人員都很熟悉壓敏電阻裝置一類過電壓保護器的普通使用和應用，因而這裡不再詳述。
現在來看裝置100的詳細結構。該裝置100還包括位於腔體121內的彈簧墊圈140、平面墊圈145、絕緣環150、端蓋160、卡子170和O圈172，174，175。下面將對其中每一個元件作詳細說明。
外殼120的電極壁122有一個朝內的基本平的接觸面122A。側壁124的內表面有一個環形槽123。按照某些實施例，外殼120用鋁製成。不過，也可以採用任何適宜的導電金屬。按照某些實施例，外殼120是整體的。圖示的外殼120為圓柱形，但也可以是其它形狀。
從圖3能最清楚地看到，電極130的端部132有一個基本平的接觸表面132A，它面對著電極壁122的接觸表面122A。端部130的頂面132B是從下軸部134A向外向下的斜面或錐面(即徑向是傾斜的)。下軸部134A的直徑小於端部132的直徑。上軸部134B從下軸部134A上端伸出。上軸部134B的直徑比下軸部134A的直徑小。按照某些實施例，上軸部134B具有約1至1.5英寸的直徑。在軸部134A，134B之間從軸134徑向朝外伸出一個整體的環狀中間凸緣138。在凸緣外周側面開有一個環形側向開口槽139A。在上軸部134B開有另一個環形側向開口槽139B。在軸134的端部有一個接納螺釘的螺紋孔136，以將總線杆或其它電氣接頭固定在電極130上。按照某些實施例，電極130由鋁製成。但是也可以使用任何適宜的導電金屬。
可熔元件180安裝在電極130上。該可熔元件180是一個圓柱形管狀件或環繞下軸部134A的套筒，下軸部處於可熔元件180的中心孔道內。按照某些實施例，可熔元件180與下軸部134A相接觸，且按照某些實施例，可熔元件180基本沿下軸部134A的整個長度與下軸部134A相接觸。可熔元件180還與凸緣138的下表面和端部130的頂面132B連接。
可熔元件180用一種可熱熔化的導電材料製成。按照某些實施例，可熔元件180用鋁合金，鋅合金和/或錫合金構成的組中選擇的合金製成。但是也可以使用任何適宜的導電金屬。
按照某些實施例，是這樣來選擇可熔元件180，使其熔點高於預定的最大標準工作溫度。該最大標準工作溫度可以是在可熔元件180正常工作期間(包括應對在裝置設計範圍內的過電壓衝量)，而非產生熱失控的運行期間，可熔元件180內預期的最高溫度。按照某些實施例，可熔元件180是用熔點在110至160℃，且按照某些實施例是在130至150℃的材料製成。按照某些實施例，可熔元件180的熔點至少比外殼120，電極130和絕緣環150的熔點低20℃，按照某些實施例是至少比外殼120，電極130和絕緣環150的熔點低30℃，且按照某些實施例，是至少比外殼120，電極130和絕緣環150的熔點低40℃。
按照某些實施例，可熔元件180具有約3×107S/m至4×107S/m的電導率，且按照某些實施例，具有約3.5×107S/m至3.8×107S/m的電導率。
可按任意方式將可熔元件180安裝在電極130上。按照某些實施例，是把可熔元件180澆注或模製在電極130上。按照某些實施例，是把可熔元件180機械固定在電極130上。
壓敏電阻晶片110具有第一和第二相對的基本平的接觸表面112。該壓敏電阻晶片110被夾在接觸面122A和132A之間。如下面將要詳細說明的那樣，端部132和壁122相對於壓敏電阻晶片110被機械加載，以保證表面132A，122A和壓敏電阻晶片110相應的相對表面112之間的牢固而均勻結合。
按照某些實施例，壓敏電阻晶片110為盤形。但是，壓敏電阻晶片110也可以是其它形狀。壓敏電阻晶片110的厚度和直徑與具體應用所需的壓敏電阻特性有關。壓敏電阻晶片110可包含用壓敏電阻材料通過電導塗敷法塗在其任一面的晶片，使暴露的塗層表面用作接觸面。塗層可用銅或銀等形成。
壓敏電阻材料可以是任何方便用作壓敏電阻的適宜材料，即隨電壓有非線性電阻特性的材料。最好是當電壓超過規定值時電阻很低。壓敏電阻材料可以是摻雜的金屬氧化物或碳化矽等。合適的金屬氧化物包括氧化鋅化合物。
彈簧墊圈140圍繞著上軸部134B並與凸緣138的上表面相連接。每個彈簧墊圈140包含一個孔142，用來接納電極130的上軸部134B。彈簧墊圈140鄰接凸緣138的頂面。按照某些實施例，孔142和上軸部134B之間的間隙在0.015至0.035英寸的範圍。彈簧墊圈140可用彈性材料作成。按照某些實施例和上面所示，彈簧墊圈140是一個用彈簧鋼做的Belleville墊圈。雖然圖中只畫了一個彈簧墊圈140，但也可以使用一個以上。
在彈簧墊圈140和絕緣環150之間插入平的金屬墊圈145，且上軸部134B穿過墊圈145中的孔146。墊圈145用來分散彈簧墊圈140的機械負荷，以防止彈簧墊圈切入絕緣環150內部。
絕緣環150置於墊圈145之上並與之接觸。該絕緣環150有一個主體環154，一個從主體環154向上伸展的圓柱形上凸緣或套環156，和一個從主體環154向下伸展的圓柱形下凸緣或套環158。孔152接納上軸部134B。按照某些實施例，孔152和上軸部134B間的間隙在約0.025至0.065英寸的範圍。主體環154和套環156，158可以接合或整體模製，在主體環154的頂角內形成一個向上朝外的開口周邊槽159。
絕緣環150最好用高熔化和燃燒溫度的介質或電絕緣材料來做。例如，可以採用聚碳酸脂，陶瓷或高溫聚合物。按照某些實施例，絕緣環150是用熔點高於可熔元件180的熔點的材料製成。
端蓋160置於絕緣環150之上並與之接觸。端蓋160有一個孔162，用來接納上軸部134B。按照某些實施例，孔162和上軸部134B間的間隙在0.025至0.065英寸的範圍。端蓋160可用鋁等來做。
卡子170有彈性且為截頭環形狀。卡子170部分裝入槽123內，部分從120內壁徑向伸展，以限制端蓋160向外的軸向位移。卡子170可用彈簧鋼製成。
O圈172置於槽139A內，使它陷在凸緣138和下套環158之間。O圈174置於槽139B內，使它處在軸部134B和上套環156之間。O圈175置於槽159內並陷於絕緣環150和側壁124之間。安裝時O圈172，174，175受壓縮而產生偏移，並在各相鄰界面間形成密封。出現過電壓時，熱氣體和晶片110的碎片等付產品可能填進或散落在腔體121內。O圈172，174，175可以限制或防止這些付產品沿軸134和絕緣環150間的通路或絕緣環150和側壁124間的通路逸出過電壓保護裝置100。
O圈172，174，175可用相同或不同的材料製成。按照某些實施例，O圈172，174，175用合成橡膠等彈性材料製成。按照某些實施例，O圈172，174，175用橡膠製成。O圈172，174，175可用杜邦公司提供的VITONTM等碳氟化合物橡膠製成。還可以採用其它的橡膠，如丁基橡膠等。按照某些實施例，橡膠的硬度在60至100肖氏A級之間。按照某些實施例，O圈172，174，175中每一個的熔點高於可熔元件180的熔點。
當如圖3所示組裝時，外殼120，晶片110，電極軸部134A，端部132，凸緣138，和下套環158構成一個環形室102，它是外殼室121的一個密封子室。可熔元件180處在室102內。
如上所述並在圖3中最清楚地顯示的那樣，電極端部132和電極壁122相對於壓敏電阻晶片110加載，以確保晶片表面112和表面122A，132A之間牢固而均勻的連接。該裝置100在這方面的狀況可通過考察按本發明組裝裝置100的方法來了解。O圈172，174，175安裝在槽139A，139B，159內。壓敏電阻晶片110被安置在腔體121內，使得晶片表面112與接觸表面122A相連接。電極130被插入腔體121內，使得接觸表面132A與壓敏電阻晶片表面112相連接。彈簧墊圈140向下滑過軸部134B並置於凸緣138上方。墊圈145，絕緣環150，和端蓋160向下滑過軸部134B並置於彈簧墊圈140上面，利用夾具(未示出)或其它適當的裝置強制端蓋160向下而使彈簧墊圈140偏移。當端蓋160仍然處在夾具負荷之下時，卡子170被壓縮並插入槽123內。然後卡子170被釋放並返回到其原來直徑，從而部分填充槽同時部分從槽123徑向向內伸入腔體121內。因此，卡子170和槽123用來保持端蓋160上的負荷，以使彈簧墊圈140局部偏移。端蓋160對絕緣環150及絕緣環對彈簧墊圈140的載荷再傳給端部132。這樣，壓敏電阻 晶片110就被夾持在端部132和電極壁122之間。
如上面所討論過的，在不存在過電壓的情況下，壓敏電阻晶片110提供很高的電阻，使得沒有電流流過裝置100，就好象它在電氣上是開路的。當出現過電壓(相對裝置設計電壓而言)狀況時，壓敏電阻晶片110的電阻急劇下降，讓電流流過裝置100並造成一個電流分路，從而保護相關電氣系統的其它元件。但是，某些條件可能引起裝置100中熱量的積累。例如，可以具有裝置100「壽命終了」模式，這時該壓敏電阻晶片被全部或部分消耗盡(也即處在「壽命終了」狀態)。另外，該裝置100可能經受長時間的過流或者一次或多次時間上很接近的過流過程。在這些場合下，壓敏電阻材料可能不足以傳導電流，從而在電極130和外殼120間引起放電。類似地，電氣通路的截面可能對於電流總量而言不夠大，從而造成很大的歐姆損耗並產生熱量。這种放電又引起裝置100中熱量增加。如不加以抑制，這種熱量增加可能造成熱失控而使該裝置溫度超過規定的最高溫度。舉例來說，可以由規範或標準(例如按照UL1449)來設定裝置外表面的最高許可溫度，以防止鄰近元件燃燒。一種避免這類熱失控的方法是用保險絲來中斷流過裝置100的電流，在裝置100發生過熱之前保險絲就暴裂了。但是，如下面要談到的，在某些情況下不希望採用這種方法，因為它可能損壞相關電路內其它重要元件，或者在斷開過衝保護裝置後負荷得不到保護。
按照本發明各實施例，可熔元件180用來防止或阻止這種熱失控而不需要截斷流過裝置100的電流。起初，可熔元件180具有如圖1和3所示的第一種結構，除了通過端部132以外，電極130不和外殼120發生電連接。一旦出現熱量積累，電極130就被加熱。可熔元件180還被直接和/或被電極130加熱。在正常運行過程中，可熔元件180內的溫度保持低於其熔點，使得可熔元件180保持固體狀態。但是，當可熔元件180的溫度超過它的熔點時，可熔元件180就熔化(全部或局部)並由於重力的作用而流入不同於第一結構的第二結構中。當該裝置100處在垂直方位時，已熔化的可熔元件180以重新構造的可熔元件180A形式(可以是全部或局部熔化)積累在室102的下部，如圖4所示。可熔元件180A將電極130搭接或短接到外殼120上。也就是說，提供了一條或幾條通過可熔元件180A從電極部134A至外殼端壁122和外殼側壁124的新的直接電流通路。按照某些實施例，這些電流通路中至少有一些不包括壓敏電阻晶片110。
因而，可熔元件180A提供一個電極130和外殼120間的加大的接觸 表面和加大的電流通路。就是說，包含可熔元件180A的導電路徑的截面和體積增加了。結果減少或消除了放電，歐姆熱和/或其它誘發發熱的現象，從而防止裝置100熱失控和/或過分過熱。因此，該裝置100可變成比較低阻的元件，它能安全地維持較高的電流(即該裝置不會被嚴重損壞)。我們會了解，雖然該裝置100從此以後可能不能再用作過電壓保護裝置，但卻避免了災難性的破壞(例如，導致燃燒的溫度，爆炸，或從該裝置100釋放出材料)。
下軸部134A比較大的直徑可使該軸部134A的外表面與外殼側壁124的內表面靠得很近，並在重新生成的可熔元件180A和軸部134A及側壁之間提供更大的接觸面積。按照某些實施例，軸部134A和134B的直徑大小是這樣選定的，使得在可熔元件180熔化形成新結構的可熔元件180A且裝置100繼續承受過衝電流或非過衝電流時，能承受過衝電流而不讓軸部134A，134B過熱。
裝置100可在任何方位有效地使用。例如，參考圖5，裝置100可用在水平方位。當可熔元件180被產生的過熱熔化時，它將流到室102的下部，在那兒形成新生成的可熔元件180B(可以是全部或局部熔化的)，它將如上所述把電極130和外殼120搭接起來。O圈172，絕緣環下套環158及絕緣環150與側壁124一起使室102密封，使得已熔化的可熔元件180不流到室102外面。O圈174提供一個二次密封。
參照圖6，這裡示意地顯示了按照本發明各實施例的一個電路30。該電路30包括電源32，電路斷路器34，保護負荷36，接地點40，以及過電壓保護裝置100。裝置100可安裝在供電箱等中。電源32可以是AC或DC源並將電力提供給負荷36。負荷36可以是任何合適的裝置、系統、設備等(例如，電器，移動通信傳輸塔等)。裝置100與負荷36並聯。在正常使用中，裝置100象一個開放電路那樣運行，使電流流到負荷36上。出現過電壓時，壓敏電阻晶片的電阻急劇下降，從而防止過流損壞負荷36。電路斷路器34可以跳閘。但是，在某些情況下，裝置100可能承受超過電壓敏電阻晶片110容量的電流，從而造成放電而產生過量的熱，如上面所述。可熔元件180將熔化並流動而使該裝置短路，如前所述。裝置100短路又使電路斷路器34跳閘。按這種方式，可以保護負荷36不被出現的電源過衝及過流損壞。此外，裝置100可以安全地傳導連續的電流。
值得注意的是，裝置100在出現過流後將繼續使電路30短路。結果電路斷路器34不可能復位，由此告知操作人員，該裝置100必須修理或更換。另一方面，若裝置100的分路被切斷而不是短路，則電路斷路器34可以被合上，且操作員可能不知道負荷36不再受到仍起作用的過電壓保護裝置的保護。
參照圖7，這裡顯示本發明另一些實施例的過電壓保護裝置200。裝置200和裝置100相當，只不過在室202內有一個襯套290。該襯套290是一個導電導熱材料的管子或套筒。按照某些實施例，襯套290是由熔點比外殼220材料熔點高的材料做成。根據某些實施例，襯套290由鋼製成，外殼220由鋁製成。當出現過流時，由電極230和/或壓敏電阻晶片210來的某些或全部火花被引向襯套290而不是外殼220本身(特別是側壁224)。這樣襯套290將防止或推遲外殼220的局部熔化，否則可能擊穿外殼220或者使外殼220失效。襯套290還可以從結構上加強側壁224，以便在側壁224被熱量軟化時提供額外的剛度。因此，襯套290為可熔元件280的熔化和流動提供了額外的時間，並在電極230和外殼220之間提供一個加大的電流通路。
參照圖8，這是按照本發明其它實施例的可熔元件組件381的分解透視圖。該可熔元件組件381可用來代替可熔元件180。可熔元件組件381包括一對可熔元件子零件382和一個卡子384。可以把該子零件382放在電極下部134A附近，並利用卡子384作固位裝置固定到位。子零件382可用上面用於可熔元件180的材料製成。按照某些實施例，可以在子零件382的外表面做出一些圓周方向的凹口以接納卡子384，使該卡子部分或全部凹進子零件382內。
參照圖9，它顯示按照本發明其它實施例的可熔元件組件481。該可熔元件組件481用來代替可熔元件180。它包括一對可熔元件子零件482。每一個子零件482有一個一體化的固位零件，其形狀為陽突起484A和陰突起484B。可把子零件482放在電極下部134A附近，並通過連接相應的突起484A和孔484B而固定到位。突起484A和孔484B的相對尺寸和形狀應提供緊配合。子零件482可用上面用於可熔元件180的材料製成。
按照本發明的過電壓保護裝置(如裝置100，200)還可提供一些除上述以外的額外優點。該裝置可以做成具有比較緊湊的形狀因素。該裝置可以改裝以代替不具有這裡所述的可熔元件的相似類型過電壓保護裝置。特別是，本裝置可以具有和此類以前的裝置相同的長度尺寸。
按照某些實施例，本發明的過電壓保護裝置(如裝置100，200)作成使當可熔元件熔化而讓過電壓保護裝置短路時，該過電壓保護裝置的電導率至少與和該裝置連接的輸入輸出電纜的電導率一樣大。
按照某些實施例，本發明的過電壓保護裝置(如裝置100，200)作成可維持1000安培電流至少7小時而不發生外殼(如外殼120或220)的破壞或使外表面的溫度達到170℃以上。
雖然按上所述可熔元件或組件是安裝成讓它們圍繞各電極(如電極130)並與之相接觸，但按照本發明其它一些實施例，可熔元件也可代之以或額外地安裝在該裝置內其它地方。例如，可以把可熔元件(例如，可熔材料套筒或襯套)安裝在側壁124的內表面和/或凸緣138的下面。類似地，按照本發明某些實施例，可熔元件可以有不同的形狀。例如，按照某些實施例，可熔元件不是管狀且/或相對於室，電極和/或外殼是不對稱的。
按照某些實施例，每個接觸表面(如接觸表面122A，132A)和壓敏電阻晶片表面(如晶片表面112)之間的接合面積至少為0.5平方英寸。
按照某些實施例，外殼120和電極130的組合熱質量遠大於壓敏電阻晶片110的熱質量。所用的「熱質量」一詞代表目標物(如壓敏電阻晶片110)材料的比熱與目標物材料質量的乘積。也即熱質量是1克目標物材料升高1攝氏度所需的能量乘以目標物材料的質量。按照某些實施例，電極端部132和電極壁122中每一個的熱質量遠大於壓敏電阻晶片110的熱質量。按照某些實施例，電極端部132和電極壁122中每一個的熱質量至少是壓敏電阻晶片110熱質量的兩倍，且按照某些實施例至少是10倍。
本專業技術人員看了上述說明後不難了解本發明的過電壓保護裝置的幾種形成方法。例如，外殼120，電極130，和端蓋160可以用機加工、鑄造、或衝壓方法形成。這些元件中的每一個可以單獨形成，或用焊接等方法將多個元件固定連接而形成。
可以將多個壓敏電阻晶片(未示出)堆疊並夾在電極端部和中心壁之間。最上面和最下面的壓敏電阻晶片的外表面將用作晶片的接觸表面。但是，我們建議通過改進單個壓敏電阻晶片的厚度，而不是將許多壓敏電阻晶片堆疊起來來改變壓敏電阻晶片的特性。
如上所述，彈簧墊圈140是一個Belleville墊圈。Bellevlle墊圈可用來加上很高的負荷而不需要很大的軸向空間。但是，也可以額外使用其它類型的偏移裝置或者替代Belleville墊圈。可選的合適偏移裝置包括一個或幾個螺旋彈簧，波形墊圈或螺旋墊圈。
本專業技術人員可以進行許多變更和修改而仍然保留本發明的優點，同時又不偏離本發明的精神和範圍。因此必須指出，上面列舉的實施例只是作為例子，而不應把它看作是對由下面的權利要求書界定的本發明的限制。所以，下面的權利要求書不僅包括上面列舉的各元件的組合，而且包括所有的等效元件，它們按基本相同的方法完成同樣的功能而得到基本相同的結果。因此，應把權利要求書理解為包括上面具體列舉的示例，和概念上等效的，以及包含本發明基本思想的那些情況。
權利要求
1.一種過電壓保護裝置，包括a)第一和第二導電電極元件；b)由壓敏電阻材料形成的壓敏電阻元件，它與第一和第二電極元件的每一個電氣上相連接；c)導電可熔元件，它可因該裝置中的熱量而熔化，並通過該可熔元件在第一和第二電極之間形成電流通路。
2.如權利要求1的裝置，其中由可熔元件形成的電流通路從第一電極元件一直伸至第二電極元件，且可熔元件與第一和第二電極元件中每一個相連接。
3.如權利要求1的裝置，其中可熔元件由金屬製成。
4.如權利要求3的裝置，其中可熔元件由選自下面一組的金屬製成鋁合金、鋅合金和/或錫合金。
5.如權利要求1的裝置，其中可熔元件的熔點範圍在110℃至160℃。
6.如權利要求1的裝置，其中第一電極元件包括外殼，由該外殼界定一個室，且可熔元件和第二電極元件的至少一部分處於該室內。
7.如權利要求6的裝置，其中可熔元件安裝在處在該室內的那部分第二電極元件上。
8.如權利要求7的裝置，其中可熔元件澆注在處在該室內的那部分第二電極元件上。
9.如權利要求7的裝置，其中可熔元件包括第一和第二子零件，它們利用固位裝置相互固定在那部分在室內的第二電極元件上。
10.如權利要求7的裝置，其中可熔元件包括第一和第二子零件，它們利用至少一個整體固位零件相互固定在那部分在室內的第二電極元件上。
11.如權利要求6的裝置，包括置於第一和第二電極元件之間室內的導電加強元件，它用熔點高於外殼材料熔點的材料製成，且安置成能接收從第二電極元件產生的電火花。
12.如權利要求6的裝置，其中室是密封的。
13.如權利要求6的裝置，包括處於室內的電絕緣元件，它夾在第一和第二電極元件之間。
14.如權利要求6的裝置，其中外殼界定一個開口，且第二電極元件包含位於室內的端部和軸，該裝置還包括位於開口內的金屬端蓋，金屬端蓋具有孔，所述軸穿過該孔；及夾在第二電極元件和端蓋之間的電絕緣環，所述絕緣環具有環孔，軸穿過所述環孔。
15.如權利要求6的裝置，其中第二電極元件包括處於室內的端部，軸，凸緣，凸緣從軸伸出並與端部隔開；可熔元件安裝在端部和凸緣間的軸上；及該裝置還包括安裝在與端部相對的凸緣上的彈簧墊圈，以將負荷加到該端部上。
16.如權利要求1的裝置，其中壓敏電阻元件夾在第一和第二電極元件之間。
17.如權利要求15的裝置，其中壓敏電阻元件是具有相對晶片表面的壓敏電阻晶片，第一和第二電極元件中的每一個具有接觸表面，接觸表面與相應的一個晶片表面相接觸，且壓靠該表面。
18.如權利要求16的裝置，其中第一和第二電極元件中至少一個是壓靠在它接觸的晶片表面上。
19.如權利要求1的裝置，其中壓敏電阻材料從包括金屬氧化物的化合物及碳化矽的組中選擇。
20.一種過電壓保護裝置，包括a)由壓敏電阻材料形成的壓敏電阻元件，該裝置在出現過電壓時使電流流過該壓敏電阻元件；及b)導電可熔元件，它因裝置中的熱而熔化並在裝置中形成新的電流通路，以抑止至少某些電誘發的裝置發熱。
21.如權利要求19的裝置，其中可熔元件因裝置中的熱而熔化，並在裝置中形成新的電流通路，以防止該裝置熱至超過規定的溫度。
22.如權利要求19的裝置，其中新的電流通路使電流流出該壓敏電阻元件。
23.一種提供過電壓保護的方法，包括提供過電壓保護裝置，該過電壓保護裝置包括第一和第二導電電極元件；由壓敏電阻材料形成的壓敏電阻元件，它與第一和第二導電電極元件中每一個電氣相連；和導電可熔元件；及由於裝置中的熱而使該可熔元件熔化，以通過該可熔元件在第一和第二導電電極元件之間形成電流通路。
全文摘要
一種過電壓保護裝置，包括第一和第二導電電極元件，一個由壓敏電阻材料形成並與第一和第二電極元件中每一個電連接的壓敏電阻元件，和一個導電可熔元件。該可熔元件因裝置內的熱而熔化，並通過該可熔元件在第一和第二導電電極元件之間形成一個電流通路。
文檔編號H02H9/04GK1983470SQ20061016847
公開日2007年6月20日 申請日期2006年12月14日 優先權日2005年12月15日
發明者S·I·卡梅爾, Z·波利蒂斯, K·薩馬拉斯 申請人:雷伊卡普公司