用于电源供应线的热侦测插头的制作方法

本实用新型关于一种用于具有相对高电流量的电器上的安全装置。更具体来说，本实用新型关于一种位于电器与电源的电气接口之间的热保护装置。

相关申请资料

本实用新型主张于2015年9月11日申请的美国临时专利第62/217065号申请案的优先权，本实用新型在此将其全部内容引入做为参考。

背景技术：

能源的使用量与成本的增加，是目前全球关注的问题。对于建筑物的加热，更具体来说，对于建筑物中单一区域或室内空间的加热，是一种无法避免的使用能源的过程。能够有效地将室内空间加热的能力，是一种减少能源使用并且降低能源成本的方法。

使用常规的空间或室内加热器，是加热单一室内空间的一种方法。这种类型的常规加热器通常更优于为了整栋建筑物设计的加热系统。常规的空间加热器可以在单一的室内空间中创造热度，而不需要同时对其他额外的室内空间加热。通过产生并且将有限的加热气流往所需的位置导向的能力，能够对室内空间中的单一位置进行“点加热”来减少所需的热量。因此，“点加热”可以减少整体所需的能量。

空间加热器也能够屏除对于昂贵并且会吸收热量的管道以及其他永久性结构的使用需求。管道的热吸收等等的特性，是造成这些永久性系统效率低下的原因之一。

虽然常规的电气空间加热器相较于其他加热系统来说具有特定的优点，但电气空间加热器也具有一些缺点。与常规的空间加热器相关联的电流量消耗，会增加建筑的电气系统的负荷。在某些情况中，由常规的电气空间加热器所产生的电力负荷，可能会对电气系统的部件造成负担。举例来说，如果 墙壁插座老旧且插头的插脚与插座端子之间的压力不足，可能会造成插座中产生局部加热的问题。许多这种插座的位置都设置在物品的后方，例如，位在家具的后方，因而不容易让使用者看见。这种插座的不可见性使得使用者在问题发生时没有办法及时侦测到问题。这种局部的加热可能会进一步产生区域中其他部件故障的潜在性，并且造成潜在的安全性危害。

电流感应电路中断器已经与电器一起使用了许多年。某些常规型态的电路中断组件，包括有保险丝、断路器(可复位及不可复位)、接地故障断路器(Ground Fault Circuit Interrupter,GFCI)、电器漏电断路器(Appliance Leakage Circuit Interrpter,ALCI)以及电弧故障断路器(Arc Fault Circuit Interrpter,AFCI)。

常规的保险丝与断路器，是通过使用电流量来判定是否存在电路故障的部件。当侦测到过量的电流量时，常规的保险丝与断路器会将电流的流动中断。

GFCI组件会对电流流量进行监控，并且将进入电器与离开电器的电流流量进行比较。GFCI组件通过中断电流的流动，对进入及离开电器的预定电流流量限制的不平衡做出回应。

AFCI组件对配电盘供应的分支电路中的电压与电流特征进行监控。通过电子电路以及算法来监控与正常特征的偏差，可以判断是否有故障发生。当发现的故障指向电弧时，通往分支电路的电流流动便会被中断。

上述的组件具有功能上的限制。由于电器、电源供应及/或电器与电源供应之间的接口中的电阻加热的原因，常规的电流感应电路中断器不具有直接侦测热能积聚的能力。当电流/电压超过预定阀值时或增加太快时，上述的组件会将功率流动中断。不幸的是，电阻加热的累积速度不快，且其电流/电压的程度小于上述常规组件的预定限制，尤其，在电器与电源供应的接口之间。相关联的热能积聚可能足以对电器会电力系统的安全造成损害。这种损害的可能性在具有高电流消耗的电器上尤其严重，例如在常规的空间加热器上。此种预定限制使得常规组件无法侦测随着时间累积的热能，及/或无法侦测电路的电流消耗中不伴随着在程度上突然快速增加的加热。

技术实现要素：

为了解决现有技术的缺点，本实用新型在此针对一种用于具有较高电流量消耗的电器与设备的电源接口装置进行说明。本实用新型提供的热侦测插头至少可以克服现有技术中的多个问题。本实用新型设置的位置是位于电器(电线)与电源供应(墙壁插座或延长线)之间的电器接口。相对于通过对电流、电压等特征的测量来推断或计算温度增加量的方式，本实用新型的热侦测插头是直接侦测接口中部件的温度。

测试结果显示，常规插头的插脚与常规墙壁插座的插座端子之间的故障连接，在这种情况中及/或在墙上的插座中会产生局部加热的情形。在插头的壳体中设置于插头插脚附近的热电偶，曾经在故障连接的情形下测量到超过315℃(600°F)以上的温度。设置在常规插头的壳体中的热电偶曾经在故障连接的情形中测量到壳体材料的温度超过175℃(350°F)。这些测量到的温度已经超过了常规插头中使用的聚合材料的塑化阀值。聚合材料的软化对常规插头的结构与安全都会造成损害。

下列为几个主要聚合物的热变形温度(维卡软化温度)：聚苯乙烯103℃(217°F)；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯103℃(217°F)；聚氯乙烯92℃(197°F)；聚碳酸酯156℃(313°F)；聚乙烯127℃(261°F)；以及，聚丙烯152℃(305°F)。当温度到达维卡软化温度时，并不一定表示装置结构与安全会受到损害。最常被用于电源线与插座的聚合物是聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)，因为其具有在这种应用中所需要的特质；然而，其也具有最低的维卡温度。

热侦测插头的用途，是通过在比上述的“故障连接情形”更低的温度时中断电流流动来增进可携式电器的安全性。由于使用了价格低廉的部件来建造此装置，使得热侦测插头可以以不会对消费者造成负担的价格生产。此装置的另一优点在于，可以维持符合或者几乎符合常规电线插头的实体尺寸与形状，藉此排除对于特殊的适配器以及额外部件的需求。

本实用新型的热插头可以独立于其他任何的系统运作。简言之，热侦测插头不需依赖其他后续的系统就能正常运作。代替将信号传送至后续的控制系统，例如，控制电器的电子装置，热侦测插头能够自成一体并且直接中断功率流动。

上述的所有特征使得热侦测插头能够增进可携式电器的整体安全，特别 是具有相对高电流流量的电器。

附图说明

所属领域的技术人员通过与附图一起阅读本说明书，可以更佳的了解本实用新型的内容。在此要强调的是，根据常例，附图中的各个特征并未根据比例绘制。相对地，各个特征的尺寸是以清晰性为目的而随意放大或缩小。本实用新型的附图包括：

图1A及图1B是与电器一起使用的热侦测插头的一实施方案的立体图；

图2A及图2B是热侦测插头的一实施方案的剖视图；

图3A及图3B是热侦测插头的另一实施方案的剖视图；

图4是显示热侦测插头的一特征的一实施方案的立体分解图；

图5是显示图4的立体分解图的组件的立体图；

图6及图7是显示图5的组件在热侦测插头中的实施方案的立体图；

图8A及图8B是热侦测插头的另一实施方案的示意图；

图9是热侦测插头的一实施方案的另一示意图；

图10是显示正常状况下的温度曲线的图表；

图11是显示高温度状况下以及热侦测插头运作的实施方案的图表。

图12是显示图3A的热侦测插头300在正常情况下的温度曲线的图表。

图13是显示热侦测插头300在高温状况下的温度曲线的图表。

具体实施方式

图1A是热侦测插头100的立体图。热侦测插头100包括电源接触插脚101、102以及壳体104。如图中所示，电源线110从壳体104离开。热侦测插头100可以包括如图中所示的接地插脚103。

优选地，热侦测插头100可以具有大致与常规的电器插头相符合的尺寸与形状。能够符合于常规电器插头的能力，对于热侦测插头100在市场上的应用与接收度具有贡献。在不脱离本实用新型的精神的条件下，热侦测插头100的尺寸与形状也可以与常规的电器插头完全不同。

图1B显示了通过电源线110连接至可携式电器130的热侦测插头100。举例来说，如图中所示，可携式电器130可以是一可携式电气空间加热器。 热侦测插头100与电源120连接。如图所示，电源120是常规的墙壁插座。电源120也可以是延长线或其他的常规电源适配器。热侦测插头100与电源120之间的接口是类似于常规电器插头与电源120之间的接口。

热侦测插头100将电源120往可携式电器130的电流流动停止的能力，是由热侦测插头100及电源120的温度所决定。高电流的装置尤其容易在电源120及/或电器与电源的接口中受到热能积聚的影响。热能积聚发生的原因有可能是受到腐蚀或过小的建筑物配线、失去接触插脚101、102与电源120之间的压力接触，以及/或者电源120内部的接触不良。设置在接口的热侦测插头100因而可以增加整体系统的安全性。

图中显示的热侦测插头100是与可携式电器空间加热器结合使用。其他相对高电流的装置，例如烤面包机、烤箱、厨房电器、吸尘器、除湿机、冷气机以及其他类似的装置，也同样可以通过使用热侦测插头100而获得益处。

图2A与图2B为显示使用了电机组件的本实用新型的热侦测插头200的示例性基本电路。电源接触插脚101、102与壳体204的温度是通过热断路器(Thermal Cut Off,TCO)201监控。

热断路器201具有外壳212。位于外壳212内部的校准的双金属带或热盘202会响应于温度而弯折。接点206、210分别位于可移动式支持体208以及固定式支持体214的端部。双金属带或热盘202会促使机械链接216作动。机械链接216会根据双金属带或热盘202的状态，控制接点206相对于接点210的位置。

电源接触插脚101是经由导体106、10b通过热断路器201与电源线110连接。电源接触插脚102是直接经由导体105与电源线110连接。在本实用新型的优选实施方案中，热侦测插头100是极化的插头，且电源接触插脚101是“热”端。值得一提的是，极化并非此装置正常运作的必要条件。

请参照图2A，由于接点206、210为封闭的状态，因而允许电力能够从电源(未显示)自由流动通过热侦测插头200以及电源线110。只要双金属带或热盘202所感测到的温度不超过预定限制，双金属带或热盘202的状态会将接点206、210维持在封闭的状态中。

图2B显示接点206、210为开启的状态，因而中断了电力从电源(未显示)的自由流动。由双金属带或热盘202所感测到的温度已经超过了预定限制， 因此将双金属带或热盘202“弓形弯曲”并使其远离接点206、210。机械链接216被允许移动，且可移动式支持体208中的自然弹簧张力会将接点206往远离接点210的方向移动。

当双金属带或热盘202所感测到的温度下降到需要将双金属带或热盘202朝向接点206、210“弓形弯曲”的温度时，接点206、210会回复到封闭的状态。

图2A与图2B中显示的热侦测插头200的示例性基本电路将热断路器201与简单的双金属带或热盘202一起使用，但本实用新型的内容并不受限于此。在不脱离本实用新型的精神的条件下，也可以使用其他的温度侦测装置，例如，可以利用热断路器与PTC片状件将接点从开放与非导电的状态中闭锁。另外，也可以考虑使用手动重启特征或按钮以及其他类似的机制。一次性使用且不可替换的保险丝也可以取代热断路器201，或者与热断路器201一起使用。如此，当一次性使用且不可替换的保险丝感测到高于预定阀值的温度时，电器便会变得无法运作。

其他与使用具有外壳212的热断路器201相关联的优点，在于可以通过合理的价格制造热侦测插头200的能力。外壳212可以有效的密封并保护双金属带或热盘202、可移动式支持体208、固定式支持体214、接点206、210以及机械链接216。热断路器201因此可以被直接模塑在热侦测插头200的壳体204中。直接将壳体204成型并包覆热断路器210的能力，可以允许使用常规的组装技巧来组成装置，并且避免使用特殊规格的设备或结构。

应当理解的是，经过热侦测插头200的功率流动是由双金属带或热盘202所感测到的温度所控制，并且与经过热侦测插头200的电流量无关。电流量会对热侦测插头200的运作产生影响的唯一一种方式，是通过在壳体204中增加温度或累积热能。热能可能会从电源供应、热侦测插头200及/或电源供应之间的接口或者在热侦测插头200中开始累积或被吸收。

下列为造成电源接触插脚101、102的区域中产生热能积聚的几种范例：i)电源中的电性及/或机械性接触不良，例如，松脱的连接、腐蚀或故障的线材等等；ii)消费者的不当使用，例如，重复在单元仍然处于通电状态下时将插头插入或拔出；iii)高于正常的电流量，使得电源与热侦测插头200之间的接口产生局部加热。举例来说，在电源接触插脚101及/或102与常规的插座 之间相对较小的剖面接触区域之间的一点产生局部加热。

与使用过量电流来推断热安全性危害的常规电路断路器不同，热侦测插头100可以直接判断电器与电源供应之间的连接是否在安全的温度限制之中。预定的安全温度限制可以基于下列的条件设定：材料、机构电码、业界实际做法以及其他类似的条件。

在一实施方案中，中断电流流动的温度是设定在大约等于或大于135℃(275°F)。此温度是低于用于制造常规插头的壳体的塑料的溶化温度，并且比“故障连接情形”的测试中在壳体材料中测得的175℃(350°F)低得多。

值得一提的是，直接将壳体204包覆成型在热断路器201外的方式，允许壳体204持续将热转移到热断路器201。模制成型是可以重复执行的过程，其可以允许热断路器201被精准地校正，以确保电力可以根据安全性目的如预期地被中断。

虽然图中显示的热侦测插头200使用了单一个热断路器201，但本实用新型的内容并不限于此，也可以使用多于一个的热断路器201或接点组206、210来控制从电源接触插脚101、102的其中任一个插脚的电力流动。热侦测插头200也可以与电流安全装置一起使用，例如，保险丝，以进一步增进本实用新型所提供的安全性。

图3A是热侦测插头300的立体分解图。如图所示，壳体304具有多个前部分304a以及后部分304b。当进行组装时，前部分304a以及后部分304b会构成内空间305。如图所示，螺丝308是用于将前部分304a以及后部分304b组装在一起，但本实用新型的内容并不限于此。在不脱离本实用新型的精神的条件下，也可以使用黏着剂、扣合结构、超声波焊接以及其他的固定组件与系统来组装前部分304a及后部分304b。

电源线110进入内空间305中，并且经由导体106b与热断路器301连接，以及经由导体105与接触插脚102连接。热断路器301是经由导体106a与接触插脚101连接。

插脚基底330是设置在内空间305中。如图所示，插脚基底330的用途有三个方面：首先，插脚基底330可以在结构上将热断路器301以及接点101、102固定在装置中适当的位置处；第二，用于制造插脚基底330的材料是绝缘的材料，并且可以为热侦测插头300的各个部件提供绝缘性；第三，用于 制造插脚基底330的材料可以传导热能，并且同时在升高的温度中维持结构特征。本实用新型中的插脚基底330，举例来说，可以由陶瓷、酚醛、层压板以及填有矿物的塑料等材料所制成。插脚基底330的导热性允许温度的上升能够更容易影响热断路器301。此外，上述的材料以及类似的材料在“故障连接情形”测试中所测量的175℃(350°F)时并不会产生融化、软化及/或变形等现象。

插脚基底330具有通道332、孔洞338以及表面334。接点101、102穿过通道332并且经由孔洞338通过铆钉336固定至插脚基底330上。本实用新型的接点101、102也可以被模制成型在插脚基底330中，以形成一体的结构。热断路器301可以通过铆钉、螺丝、黏着剂或扣合结构(未显示)被固定在表面334上。不论所使用的固定方式为哪一种，为了确保插脚基底330与热断路器301之间的热能传导，表面334与热断路器301之间的紧密接触都是重要的条件。

图3B中显示了可以代替导体106a使用的安培保险丝306a的实施方案。如此，热侦测插头300不仅能够侦测到温度的变化，更能够侦测到通过系统的过量电流消耗。

图4是次组件500的立体分解图，而图5是次组件500组装完成的示意图。图4中显示了经由导体106b连接到热断路器401以及经由导体105连接到接触插脚102的电源线110。如图所示，热断路器401经由导电桥406a与接触插脚101连接并且与其成为一体的结构。插脚基底430具有通道432、孔洞438以及表面434。接点101、102穿过通道432并且经由孔洞438通过铆钉336固定至插脚基底430上。热断路器401是固定于表面434，且盖体440界定了内空间442。

如图所示，导电桥406a不仅建立了热断路器401与接触插脚101之间的导电路径，其同时也建立了两者间的热传导路径。

如图5所示，盖体440是装配在热断路器401上并且与插脚基底430连接。如图所示，盖体440是以卡合方式固定于插脚基底430，并且同时允许热断路器401位在内空间442中。如此，盖体440可以保护热断路器401，以防止可能会干扰热断路器401运作的外来物质进入。这些外来物质可以是如聚合物等的加工材料，或者如灰尘和污物等其他物质。虽然图中显示的盖 体440与插脚基底430之间具有“卡合”的介接方式，但本实用新型并不受限于此。在不脱离本实用新型的精神的条件下，盖体440也可以通过黏着剂、螺丝、铆钉以及其他常规的方法连接到插脚基底430。此外，盖体440也可以与热断路器401结合成为一体的部件，例如，允许阻止外来物质进入并避免外来物质干扰热断路器401的运作的金属壳体。

图6是显示次组件500在热侦测插头600中的使用情形的立体图。如图所示，热侦测插头600包括壳体604。如图所示，壳体604是注塑成型并且将次组件500包封的聚合物。接触插脚101、102以及电源线110至少局部位于壳体604的外部。如图所示，电源线110是往与接触插脚101、102正交的方向离开壳体。

图7是显示次组件500在热侦测插头700中的使用情形的立体图。如图所示，热侦测插头700包括壳体704。与图6中的壳体604相似，壳体704是注塑成型并且将次组件500包封的聚合物。接触插脚101、102以及电源线110至少局部位于壳体704的外部。如图所示，电源线110是往与接触插脚101、102一致的方向离开壳体。

图8A与图8B是显示另一实施方案的热侦测插头800的示意图。图8A是热侦测插头800的侧视图，其显示了从壳体810突出的电源接触插脚822、824。图8B显示沿着图8A中的平面8-8剖面得到的热侦测插头800的剖视图。如图所示，热侦测插头800在功能与结构上都与图3A所示的实施方案相似。

热断路器801具有电阻加热组件816，且电阻加热组件816是位在靠近双金属带或208的位置。在热侦测插头800的正常运作情形下，电流允许在接点206、210间自由流动，并且在之后通过电源线110。当在“正常”运作情形中，大部分的电流会通过电阻最小的路径，特别是通过接点206、210。电阻加热组件816的电阻特征会抑制电流在接点206、210互相接触时通过电阻加热组件816。在过热的情形中，接点206、210会分开并且不允许电流电流直接进入电器中。因此，电流会经由旁路连接814通过电阻加热组件816。电阻加热组件816中增加的电流流量会使得电阻加热组件816的温度提升。电阻加热组件816升高的温度会通过导电接点使得热能转移进入双金属带208。双金属带208因此会打开，并且在热侦测插头800与电源(未显示)之间 的连接中断之前防止“完整”的电流通过电源线110，以允许组件冷却。热侦测插头800部件的冷却允许双金属带回复到“正常”运作的情形并且将接点206、210关闭。电阻加热组件816可以是如片状件、条带或其他类似的正温度系数(Positive Temperature Coefficient,PTC)结构。

热侦测插头800在壳体810中也具有额外的第二安全部件840。如图所示，举例来说，第二安全部件840也可以是额外的电路中断器。第二安全部件840可以具有用于影响下列情况中的一个以上的情况的电路：接地故障电路中断、电弧故障电路中断、电器漏电电流中断、过流保护电流中断(保险丝)以及其他类似的情况。所属领域中的技术人士应当了解，热断路器801与此种电流中断组件的组合，可以增进装置或电路的整体安全性。能够保护装置避免发生过热情况、过流情况、电流漏电情况以及电弧情况的能力，相较于如家用断路器或家用保险丝等常规的安全装置来说是更有利的。

图9是另一实施方案的热侦测插头900的示意图。如图所示，除了在壳体904中设置有额外的第二安全部件902以外，热侦测插头900在功能与结构上都与图2A与图2B所显示的实施方案相似。如图所示，第二安全部件902是相似于图8A与图8B的第二安全部件840。

壳体904与壳体204为非一体的结构。导体106a、105经由连接线910将电源接触插脚101、102及热断路器201与第二安全部件902电性连接。导体905、906经由连接电源线928将第二安全部件902与电器(未显示)连接。在所有的其他方面，热侦测插头900都与图8A及图8B所示的热侦测插头800相似。

虽然热侦测插头100、200、300、600、700、800及900在图中都显示为标准的具有两个端子或三端子的用于120V AC电器的插头，但本实用新型并不受限于此。本实用新型的插头可以被应用在AC与DC的电路上。本实用新型的插头也可以被应用在两个、三个或四个线路的系统。单相与多相的电路在高电压、低电压以及各种插头结构中都能够具有相同良好的表现。

热侦测插头100、200、300、600、700、800及900在图中虽然是显示为标准的公端子插头，然而，本装置也可以被使用在如墙壁插座的母插座中。热侦测插头100、200、300、600、700、800及900的特征，也可以被应用在延长线或电源分接头具有公插头的第一端以及具有母插座的第二端的其中一 端，或同时被应用在延长线或电源分接头的两端。

图10是显示常规电器插头在正常情况下的温度曲线的图表。常规的1500瓦的加热器的插头中插入有两个温度探头。如图所示，在高功率设定中，插头的聚合物的温度会达到大约为40℃(104°F)的最大温度。这个温度远低于主要聚合物的维卡软化温度，特别是最广泛被应用于电源线与插头的聚合物PVC。PVC的维卡软化温度是92℃(197°F)。

图11是显示常规电器插头在高温状态下的温度曲线的图表。为了重现常规电器插头的插脚与常规墙壁插座的插座端子之间的故障连接的状况，筒式加热器是与墙壁插座的插座端子连接。筒式加热器的热能被转移进入插座端子，并且接着进入常规电器插头的接触插脚中。随着筒式加热器的温度增加，在此是以类似于图10的方式对聚合物的温度进行监控。大约在进入测试过程后的18分钟左右时，聚合物的温度会达到PVC的维卡软化温度，即，92℃(197°F)。聚合物的温度持续累积，并且在测试终止时达到大约160℃(320°F)的温度。所产生的高温度使得聚合物软化，并降低聚合物将插脚与其他部件保持在适当位置的结构能力。

应当理解的是，随着聚合物的温度接近160℃(320°F)时，由于热能积聚的原因插头会变得越来越难触碰。在用户注意到过热的情况时，插头的高温会使得用户无法手动将插头从墙壁插座中拔出。

图12是显示图3A的热侦测插头300在正常情况下的温度曲线的图表。为了进行测试，热侦测插头300被与常规的1500瓦的加热器连接。热侦测插头300连接了两个温度探头。如图所示，在高功率的设定中，插头中的聚合物的温度会达到大约40℃(104°F)的最大温度。这个温度远低于PVC的维卡软化温度。

图13是显示热侦测插头300在高温状况下的温度曲线的图表。在此是以与图11相似的条件来重现高温的状况。筒式加热器的热能被转移进入插座端子，并且接着进入热侦测插头300的接触插脚101、102。随着接触插脚101、102的温度上升，透过与图12中类似的方式监控聚合物的温度。当筒式加热器的温度接近大约350℃(662°F)时，聚合物的温度会达到PVC的维卡软化温度，92℃(197°F)。在所述的条件下，热侦测插头300的热断路器301会将电路打开。在现实世界的状况中，一旦热断路器301开启了电路，电力消 耗便会从系统中被移除(即，关闭筒式加热器)，且聚合物会开始冷却到维卡软化温度以下。

应当理解的是，与图11所示的常规电器插头不同，热侦测插头300的使用可以维持聚合物的结构整体性。此外，用户可以手动将热侦测插头300从墙壁插座中拔出并且不需承担温度过热的风险。

在一实施方案中，预定限制，即，使得热断路器201开启电路以中断来自电源的电力的插头结构温度(聚合物的温度)，是等于或者大于80℃(176°F)。在另一实施方案中，预定限制是设定在80℃(176°F)到125℃(257°F)的范围中。

虽然本说明书中是参照示例性实施方案来对本实用新型进行说明，但本实用新型的内容并不限于此。在不脱离本实用新型的范围与精神的条件下，所属领域中的技术人员应了解权利要求包含了本实用新型的其他变化与实施方案。