本发明涉及包括熔断装置的电路保护装置领域。
背景技术
传统的电路保护装置包括熔断保险丝(fuses)、可重置熔断保险丝、正温度系数(ptc)装置，其中正温度系数装置可以被考虑为可重置熔断保险丝。在诸如可重置熔断保险丝以及非可重置熔断保险丝的装置中，电路保护装置可以被设计成在诸如低电流的设计状态下操作时显示低电阻。包括电路保护元件的电路保护装置的电阻可以由于电路保护元件的环境中的温度升高通过直接加热而改变，或者经由通过电路保护元件的电流而产生的电阻加热而改变。例如，正温度系数装置可以包括聚合物材料和传导性填充剂，由于诸如熔化转变或玻璃转变的聚合物材料的改变，传导性填充剂提供从低电阻状态转变到高电阻状态的混合物。在这种通常高于室温的转变温度下，聚合物基体可以膨胀和破坏导电网络，使得复合材料具有更少的导电性。电阻中的这种改变将类似熔断保险丝的特征赋予给正温度系数材料，该电阻在正温度系数材料冷却回到室温时为可逆的。在非可重置熔断保险丝的情况下，熔断元件的材料会被熔化或气化，导致开路状态。从低电阻至高电阻的转变的速度或响应时间可以受到熔断装置中使用的材料的固有性质支配，诸如非可重置熔断保险丝中的金属合金的，或者在正温度系数熔断中的聚合体/填充金属。对于一些应用，响应时间可以比设想的更迅速，意味着较长响应时间是更合适的。
相对于这些及其它考虑提供了本公开。
技术实现要素：
示例性实施例涉及基于相变材料和熔断装置的组合的改进的材料和装置。
在一个实施例中，熔断装置可以包括熔断部件；第一电极，所述第一电极设置在所述熔断部件的第一侧上；第二电极，所述第二电极设置在所述熔断部件的第二侧上；和相变部件，所述相变部件被设置成与所述熔断部件热接触，其中所述熔断部件包括熔断温度；其中所述相变部件呈现相变温度，所述相变温度标记相变部件的相转变，和其中所述相变温度小于所述熔断温度。
在另一个实施例中，一种形成熔断装置的方法可以包括：形成第一电极，所述第一电极设置在所述熔断部件的第一侧上；形成第二电极，所述第二电极设置在所述熔断部件的第二侧上；和施加相变部件，所述相变部件被设置成与所述熔断部件热接触，其中所述熔断部件包括熔断温度；其中所述相变部件呈现相变温度，所述相变温度标记相变材料的相转变，和其中所述相变温度小于所述熔断温度。
在另一个实施例中，保护装置可以包括：金属氧化物可变电阻；第一电极，所述第一电极设置在所述金属氧化物可变电阻的第一侧上；第二电极，所述第二电极设置在所述金属氧化物可变电阻的第二侧上；和第三电极，所述第三电极设置在所述金属氧化物可变电阻的第二侧上。该保护装置还可以包括热熔断元件，所述热熔断元件连接在第二电极和第三电极之间；和相变层，所述相变层包括相变材料，被设置在所述金属氧化物可变电阻的第二侧上，且被设置成与所述热熔断元件热接触。
附图说明
图1图示了根据本公开实施例的熔断装置；
图2提供了正温度系数材料的特征电特性；
图3图示了pcm物质的一般属性；
图4显示表示根据本公开实施例的相变材料的特征的示例性实验加热曲线；
图5表现了显示根据本公开实施例的熔断装置的响应曲线的图表；
图6显示了根据本公开不同实施例的另一熔断装置的剖视图；
图7显示了根据本公开一些实施例的熔断装置的剖视图；
图8显示了根据本公开其它实施例的熔断装置的剖视图；
图9示出了根据本公开另外实施例的熔断装置的剖视图；
图10示出了根据本公开另一实施例的熔断装置的视图；
图11示出了根据本公开的另一实施例的另外的熔断装置的横截面；
图12a和图12b分别描述了根据本公开的另一实施例的熔断装置的俯视平面图和侧横截面图；
图13示出了根据本公开的实施例的示例性处理流程；和
图14示出了根据本公开的另外实施例的另一示例性处理流程。
具体实施方式
现将参照附图在下文中更充分地说明本实施例，其中显示了示例性实施例。实施例不被解释为对在这里阐述的实施例的局限。相反地，提供这些实施例使得本公开将更全面和完整，并将它们的保护范围完整地表达给本领域的技术人员。在附图中，全文相同的数字表示相同的元件。
在下文的说明书和/或权利要求中，术语“在......上”、“覆盖”、“设置在......上”和“在......上方”可以被用在下面的说明书和权利要求中。“在......上”、“覆盖”、“设置在......上”和“在......上方”可以用于指示两个或多个元件彼此直接物理接触。此外，术语“在......上”、“覆盖”、“设置在......上”和“在......上方”可以表示两个或多个元件彼此不直接接触。例如“在......上方”可以在彼此不接触的时候表示一个元件在另一元件的上方，并且可以在两个元件之间具有另一个元件或多个元件。此外，虽然权利要求主题的保护范围不被限制于此，但是术语“和/或”可以表示“和”，也可以表示“或”，还可以表示“排它-或”，还可以表示“一个”，还可以表示“一些，而不是全部”，还可以表示“两者都不”，和/或还可以表示“两者都”。
在不同的实施例中，新装置结构和材料被提供用于形成熔断装置，其中可以利用相变部件调节熔断装置响应时间。图1显示了根据本公开实施例的熔断装置100。熔断装置100可以包括熔断部件102、设置在熔断部件102的第一侧上的第一电极104、设置在熔断部件102的第二侧上的第二电极106、和被设置成与熔断部件102热接触的相变部件108。熔断装置100还包括设置在第二电极106的外部并与熔断部件102热接触的相变部件110。如图所示，第一电极104具有被设置成与熔断部件102相接触的内侧和与相变部件110相接触的外侧。在图1的熔断装置100中，熔断部件102可以是热熔断、电流熔断、可重置熔断、非可重置熔断、正温度系数(ptc)熔断或本领域所公知的其它熔断。例如，熔断部件102可以包括正温度系数材料，其中正温度系数材料的特征在于分开使正温度系数材料的低电阻状态与正温度系数材料的高电阻状态的熔断温度(断开温度)。如这里使用的术语“热接触”或“与......热接触”可以表示第一部件与第二部件物理接触，或者第一部件通过高导热性路径连接到第二部件。例如，在熔断装置100中，第一电极104或第二电极106可以是诸如铜的金属薄片或金属导线，其中该金属具有高导热性。因此，在相变部件108与熔断部件102通过第一电极104分开的同时，相变部件108仍然借助于通过第一电极104提供的高导热性路径与熔断部件102热接触。
在不同的实施例中，用在相变部件108中的材料可以是包括聚合体、石蜡、金属、金属合金、盐合水、或易熔材料的任一种合适材料。在易熔材料中是有机-有机系统、有机-无机系统以及无机-无机系统。本实施例不被限制于该范围。
图2提供了正温度系数材料的特征电特性。如图所示，在低电阻状态下的较低温度处，电阻相对较低，并且作为温度增加的函数基本没有增加。在给定温度下，有时被称为熔断温度或断开温度(在本实例中为大约170℃)，电阻的快速增加作为增加温度的函数而发生，其中正温度系数材料进入高电阻状态。在高电阻状态，电阻比低电阻状态高很多，例如两个数量级、三个数量级或更高的四个数量级。一旦处于高电阻状态，正温度系数材料的电阻在温度增加的情况下可能更缓慢地增加，或者在一些情况下，根本不增加。因此，当正温度系数材料从低电阻状态转变至高电阻状态时，正温度系数材料在高温下的电流限制作用因此断开(trip)，其中转变的特征在于温度取决于用以形成正温度系数材料的材料。例如，聚合物基体材料可以在其中聚合物基体快速膨胀的小温度范围上经历熔化转变。该温度范围可以根据聚合物材料和正温度系数材料的施加而被设置。对于一些应用，有用的转变温度可以在160℃至180℃的范围内。本实施例不局限于该范围。
根据一些实施例，其中熔断装置100的熔断部件102是正温度系数材料，熔断部件102可以在高于大约近似160℃的熔断温度下进入高电阻状态。当熔断装置100可以进入高电阻状态的时候，当熔断部件102的温度超过160℃时，相变部件108可以有利地提供增加熔断装置100的响应时间的熔化延迟。换句话说，由于熔断装置100加热，并且具体地由于熔断部件102加热，相变部件108可以作用以延长熔断装置100达到熔断温度的时间。具体地，相变部件108的特征在于相变温度，该相变温度标记相变部件108的材料的相转变。具体地，熔断装置100被布置，其中相变部件108的相变温度小于熔断部件102的熔断温度。如下所述，与如果不存在相变部件108而使用其它结构相比，则该结构确保熔断装置100吸收更多热量以将熔断装置加热至熔断温度。
图3图示了pcm物质的一般属性，其中相变部件108可以包括例如pcm物质。已知的相变材料可以用作储热材料，其中当发生材料改变时出现热能传递，诸如从固体到液体或从液体到固体、固体到固体、固体到气体或液体到气体，反之亦然。对于基于固体到固体转变的pcm，当材料从一个结晶体变换成另一个结晶体时，存储热量。对于固体到液体pcm，pcm在加热期间吸收固相中的热量，使得温度上升，如图3的左侧部分所示。当pcm达到熔点时，大量的热量在固相至液相转变的过程中被吸收。如图3中所指示，这种转变可以发生在近似恒温的温度下。pcm然后在没有显著升温的情况下继续吸收热量直到全部pcm材料变换至液相为止。熔化物质所需的热量(能量)的数值可以被称为熔化潜热。在本实施例中，通过将相变部件108添加至熔断装置，增加了熔断装置的整体质量，增加了将被加热以产生高于任何给定温度范围的温度升高的质量。此外，一旦达到相变温度，由于相变部件108的材料的熔化潜热，所以还需要另外的能量(热量)以将熔断装置100加热至较高温度。与已知的缺乏相变部件108的熔断装置相比，所需要的这种另外的能量产生了在达到熔断温度之前输入到熔断部件102中的热量总体上增加的结果。
因此，通过相变部件108的适当设计，可以根据对象应用，按照需要增加熔断100的响应时间。转到图4，图4显示了表示根据本公开的实施例的相变材料的特征的示例性实验加热曲线114。在该实例中，实验加热曲线114表现出在近似110℃时的吸热峰值116，这表示了熔化相变的特征。图4中测量的材料是聚乙烯基聚合物。因此，这种聚合物可以适合于用在相变部件108中，其中熔断部件102表现出较高的熔断温度，例如高于150℃。换句话说，由于图4的相变材料的熔化转变发生在110℃处，包含具有高于110℃的熔断温度的熔断部件的任何熔断都可以具有延迟的响应时间，因为在110℃处熔化相变部件使用额外的热量。换句话说，假定在加热过程中相变部件具有与熔断部件相同的温度，用于具有熔断温度超过相变部件温度的熔断部件的熔化响应时间将由于相变部件的存在而被延迟。
值得注意的是，虽然图4具体地图示了固体-液体相变材料的示例，在其它实施例中，相变材料也可以经历其它转变，如附注所述。例如，在加热过程中，固体相变材料可以经历本领域所公知的吸热的固体-固体相变。在这种实例中，需要热量以使固体从低温相转化至高温相。在固体-固体相变的过程中，相变材料的总体温度可以保持近似恒定，如上述实施例中所述。
图5表现了显示用于根据本公开实施例的诸如熔断装置100的熔断装置的响应曲线120。响应曲线120表示在过量电流事件的时间跨度中熔断部件或总体上熔断装置的温度。因此，熔断部件的温度被绘制为时间函数。在零时间时，假设故障条件开始出现，其中故障电流开始穿过熔断。
通过背景技术，如上简短论述，已知熔断的特征在于响应时间或断开时间，该响应时间或断开时间表示从故障电流开始到熔化断开的时间。当发生故障条件时，高水平的电流通过熔断，使得总焦耳热根据该电流和事件的持续时间产生：能量＝(i2r)x时间。熔断装置的不同部件内的温度可以因此由于焦耳热而上升。在众多因素中，影响已知熔断的响应时间的因素是与故障电流(i)、熔断的电阻(r)、具体热容和熔断的热质量有关的熔断温度升高的速率。具体地，当通过熔断部件产生焦耳热(i2r)时，产生的能量引起温度成比例增加的结果，其中通过焦耳热产生的能量＝材料质量x(具体热容)x(增加的温度)。当熔断温度达到给定温度时，即，在响应时间时的熔断温度，熔断将由于熔化吹送或开始断开而被打开。
返回至图5，图5示出了在故障电流开始时在朝向图表左侧的初始周期，在该周期中，温度随时间函数单调地升高，表示了例如通过在电流通过熔断丝或熔断部件时的焦耳热所引起的温度的增加。在t1时间处，相变温度可以由熔断部件或作为总体的熔断达到。诸如相变部件108的与熔断部件热接触的相变部件也达到相变温度，使得相变部件108的相变材料然后开始经历相变。
由于在t1时间之后由熔断部件产生另外的热量，因为需要特征量的热量来完成相变材料的相转变，相变材料和熔断部件在相转变过程几乎没有或没有经受温度升高。该范围被显示为在t1时间和t2时间之间的平稳状态，表示相变的完成时间。在t2时间之后，根据故障电流状态通过熔断部件产生的额外焦耳热使相变材料完全转变成新相，以及熔断部件的温度如图所示增加直到t4时间为止，其中在t4时间达到熔断温度。此外，图5示出响应曲线122，表示已知的、缺少本实施例的相变部件的熔断装置的热响应。如图所示，在t1时间之后，由于不存在pcm，熔线元件的温度持续增加而没有暂停，直到在t3时间达到熔断温度为止。此外，由于较小的总体质量、缺少pcm部件，所以用于已知熔断装置的响应曲线122的斜率也可以更高。
如图5所示，熔化延迟可以表示为t3时间和t4时间之间的差值，并可以稍微大于由t2和t1之间的差值所表示的熔化时间。
再次参照图1，为简单起见，假设热接触是足够的，即相变部件108和熔断部件102在给定时间处具有相同的温度。值得注意的是，如果相变部件108的温度延迟熔断部件102的温度，则图5的性质特性仍然保持。在相变材料和熔断部件之间存在较差的热接触时而不会产生响应曲线120的方案中，其中在相变材料达到相变温度之前达到熔断部件的熔断温度。
现转至图6，图6显示了根据本公开的另一个实施例的熔断装置140的另一个实施例。熔断装置140除了具有熔断装置100的一些上述部件之外，还可以包括相变部件112，其中相变部件112设置在第一电极104和第二电极106之间，并与熔断部件102直接接触。这种结构可以提供从熔断部件102至相变材料的更迅速的总体热传递。
现转至图7，图7显示了根据本公开进一步实施例的熔断装置150的另一个实施例。熔断装置140除了具有熔断装置100的一些上述部件之外还可以包括相变部件112以及相变部件115，其中相变部件112和相变部件115设置在第一电极104和第二电极106之间，并与熔断部件102直接接触。在这种实施例中，没有相变部件设置在第一电极104和第二电极106外部。这种结构可以例如基于相变材料的总体积提供与图1的结构相反的更少或更大量的相变潜热。
相变部件的物理宏观结构以及微观结构可以根据不同实施例而改变。在一些实施例中，相变部件可以被为层、薄片、带、涂层或块。相变部件可以仅包含相变材料，或在一些实施例中可以是具有多于一种材料的复合材料。图8显示了熔断装置160的一个实施例，熔断装置160包括相变部件162和相变部件164，其中这些相变部件包括封装层168以及由封装层168封装的相变材料166。相变材料166还可以在相变部件162的情况下被第一电极104部分封装，或在相变部件164的情况下被第二电极106封装。这种结构可以适合于在经历相变之后变成非粘性的相变材料166，并另外易于在高温下流动。例如，封装层168可以是具有高于熔断部件102的熔断温度的熔化温度的高温聚合物。因此，熔断装置160可以持续多个熔断事件同时保持结构的机械完整性。虽然图6-8的实施例显示其中相变部件设置在多于一个位置的熔断装置，在其它实施例中，相变部件可以仅位于一个位置，例如仅位于电极的一侧。
在另一个实施例中，相变部件可以包括基体材料和多个微封装颗粒，其中多个微封装颗粒分散在基体材料内。多个微封装颗粒可以构成具有胶囊壁的相变材料。图9示出了熔断装置170的一个实施例，其中相变部件172和相变部件174基本上被设置在图1的结构中。在这种实施例中，相变部件可以是复合材料，其中微封装颗粒178分散在基体材料176中，如图所示的区域174a。在一些实施例中，微封装颗粒178可以由相变材料组成，同时基体材料176至少在熔断装置170的操作温度内不呈现相变。微封装颗粒178可以具有大约数十微米、或微米、或子微米的尺寸。本实施例不局限于这种范围。
作为一个实例，基体材料176可以是聚合物。在一些实施例中，相变部件174和相变部件172可以是具有形状稳定特征的相变材料，包括由基体材料176表示的交叉链聚合基体，基体材料176包围形成在微封装颗粒178内的相变材料。操作时，当熔断部件102经历故障电流并加热时，相变部件172和相变部件174可以保持达到且通过熔断事件发生时(例如180℃时)的相对刚性。例如，在120℃的温度下，微封装颗粒178的相变物质可以经历熔化转变，同时交联聚合物基体保持相对刚性。依此方式，相变部件174用作在低于熔断温度的温度下的大散热片，同时仍然保持机械完整性。
在又一实施例中，相变部件可以包括多个微封装颗粒，其中多个微封装颗粒分散在正温度系数材料内。图10示出了熔断装置180的实施例，其中熔断装置180包括设置在第一电极104和第二电极106之间的复合元件182。复合元件182可以用作延迟熔断并可以包括基体184，其中基体184可以具有与已知正温度系数熔断的基体聚合物材料相似的组分。复合元件182还可以包括被显示为黑色圆圈的导电填充剂，其中基体184和导电填充剂提供与传统ptc熔断相似的熔断温度和特性。复合元件还可以包括被显示为开环的多个微封装颗粒，并由具有低于通过基体184和导电填充剂产生的熔断温度的相变温度的相变材料组成。延迟通过调节在复合元件182中的相变材料的量，熔化延迟可以被调节。
图11示出了根据本公开的另一实施例的熔断装置186、额外的熔断装置的横截面。在该实施例中，除了熔断装置的上述具有类似标记的部件之外，熔断装置186还包括被布置成容器188的相变部件187。当容器188被显示为邻接第一电极104时，容器188可以被布置在与熔断部件102热接触的任何适当的位置处。此外，在一些实施例中可以具有多于一个的容器188。有利地，容器188可以完全密封相变材料189，其中在一些实施例中相变材料189可以是液体。依此方式，相变部件187可以在低于相变温度或高于相变温度时、或低于和高于相变温度时提供稳固且稳定的结构，用于使用成液态的相变材料。
在又一实施例中，相变材料可以与诸如金属氧化物可变电阻(mov)的过压控制装置集成。图12a和图12b分别描述了根据本公开另一实施例的熔断装置190的俯视平面图和侧横截面图。在这种装置中设置有可变电阻主体192。第一电极104和第二电极106通常设置在可变电阻主体192的第一侧(图12b的顶侧)上，同时第三电极194设置在可变电阻主体192的第二侧上。显示为热熔断196的熔断部件连接在第一电极104和第二电极10之间，并且也设置在可变电阻主体192的第一侧上。因此，热熔断196被设计成能在熔断温度下熔化，如在已知的通过这种热熔断196保护的mov装置。熔断装置190还包括相变部件198，相变部件198被设置成可变电阻主体192的第一侧上的层，并与热熔断196热接触。相变部件198可以具有低于热熔断196的熔断温度的相变温度，并以此提供如上所述的熔化延迟。更具体地，将相变部件198添加至mov装置的结果将增加热熔断的电流骤增性能。具体地，由于被热连接至相变部件198，热熔断196能够以没有熔断的情况下的射脉冲传递10ka或25ka的电流骤增。换言之，相变部件198可以吸收在这种电流骤增中产生的大部分热量，因此延迟或防止熔断断路直到浪涌电流超过25ka或更多。
在不同实施例中，熔断装置可以在保护装置中布置有相变部件，以在诸如-50℃至200℃的温度的范围下操作。通过利用pcm部件提供熔断延迟，熔断事件可以被延迟，并且高于相变温度的过热可以由于相变材料吸收焦耳热同时不增加温度的能力而被减少。在一些情况下，当故障电流不过度时可以避免熔断的断开。在没有相变部件的情况下，在其中焦耳热将否则引起熔断事件的热量水平处反复产生中等焦耳热时，熔断事件的这种避免可以是特别有用的。对于例如类似于电动窗户的设备的保护装置的机动车应用，在短时间段内对设备进行重复使用同时不引起熔化断开的情况来说可以是有用的。在一系列实验中，根据本实施例布置的控制熔断装置和熔断装置根据协议被操作以模拟电动车窗的操作。其中周期性通过有一系列电流循环的装置包括具有8.8mohm的电阻在80℃下的5秒内7.5a、1秒内21.5a继之以1秒暂停的输送。具有相变材料的熔断装置基于正温度系数熔断部件和聚乙烯基相变材料(pcm)，同时控制装置是已知的ptc熔断结构。当具有pcm部件的熔断装置运转十个整循环时，没有pcm部件的控制装置在3.5个周期之后出现故障。
在使用基于正温度系数熔断和包括正温度系数部件和pcm部件的改进装置控制熔断装置的另一组实验中，12a的稳定电流通过这些装置。控制熔断装置在55秒后出现断开，同时改进装置直到95秒都没有断开。
图13示出了根据本公开实施例的示例性处理流程。在块1302处，第一电极形成在熔断部件的第一侧上。在不同实施例中，熔断部件可以是诸如正温度系数熔断的可重置熔断材料或诸如金属的非可重置熔断。熔断部件的其特征在于熔断温度或断开温度，其中在具体实施例中，熔断温度大于150℃。
在块1304处，第二电极形成在熔断部件的第二侧上，通常与熔断部件的第一侧相对。根据不同实施例，第一电极和第二电极可以是诸如包括铜等等的高热导电金属的金属。电极可以是导线、箔、涂层或这些特征的组合。
在块1306处，相变部件被应用于第一电极和第二电极中的至少一个。相变部件的特征在于与相变材料相关联的相变温度，该相变材料形成相变部件的至少一部分。相变温度可能比熔断部件的熔断温度低。相变部件可以被应用作为诸如块的分立部件，或可以被应用为浸渍涂层、带、网状结构或其它部件。在应用之后，相变部件可以与熔断部件热接触。
在不同实施例中，相变部件可以被应用为诸如封装层包围相变材料的组合结构。在其它实施例中，组合结构可以需要聚合基体，其中由相变材料制成的多个微封装颗粒分散在聚合基体内。
在具体实施例中，形状稳定的相变部件可以通过应用非交联聚合物材料到电极而形成，其中非交联聚合物材料包括由相变材料制成的多个微封装颗粒。例如，非交联聚合物和微封装颗粒可以良好地混合，并且可以被共同挤成预定形状。在形成和应用非交联聚合物材料之后，热量、辐射、添加剂或其它试剂可以被应用以形成容纳微封装颗粒的交联聚合物材料。
图14示出了根据本公开另外实施例的另一个示例性处理流程。显示了根据本公开实施例的处理流程1400。在块1402处，焦耳热响应于过量电流或故障电流产生在熔断部件中。熔断部件可以是不同实施例中的任何已知的熔断部件。焦耳热表示由于电流的电阻通过熔断元件而加热。
在块1404处，焦耳热被传输到与熔断部件热接触的具有相变材料(pcm)的相变部件。焦耳热使熔断部件和相变部件的温度增加。相变部件可以与熔断部件直接物理接触或者间接物理接触，其中良好的热导体可以被设置在熔断部件和相变部件之间。
在块1406处，当相变部件达到相变温度的温度时产生相变。在相变过程中，相变部件的温度和熔断部件的温度可以保持恒定或几乎恒定。
在块1408处，当完成相变部件的相变之后，熔断部件温度随着从过量电流连续生成的焦耳热而升高。
在块1410处，当达到熔断温度时，熔断部件断开。在不同实施例中，通过相变部件提供的熔化延迟可以根据应用被定制。在一些情况下，熔化延迟的时间可以非常大，例如大约数秒或者数十秒。
已经参照一些实施例披露了当前实施例，在不背离如所附权利要求所定义的本公开的领域和保护范围的同时，可以对说明的实施例进行很多修改、变更和改变。因此，本实施例不被局限于说明的实施例，并且可以具有由以下权利要求的措辞及其等效形式限定的完整保护范围。