感温限流保护组件的制作方法
【专利摘要】本实用新型揭示了一种感温限流保护组件，其包括第一导电层，包含依序排列且互相隔离的复数个电极箔；第二导电层；PTC材料层，叠设于所述第一导电层及所述第二导电层之间；以及复数个温度感测开关，依序设置于相邻的复数个所述电极箔之间；其中所述温度感测开关的临界温度均低于所述PTC材料层的触发温度，且所述温度感测开关的临界温度依排列顺序递减。本实用新型通过改变有效导电面积，可减少通过组件的电流。当瞬间过电流发生时，可瞬间提供其电阻而具有过电流保护的功效。
【专利说明】
感温限流保护组件
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电流保护技术领域，特别是涉及一种感温限流保护组件。
【【背景技术】】
[0002]习知的PTC组件的电阻值对温度变化的反应相当敏锐。当PTC组件在正常使用状况时，其电阻可维持极低值而使电路得以正常运作。但是当发生过电流或过高温的现象而使温度上升至一特定温度时，其电阻值会瞬间弹跳至一高电阻状态(例如12 Ω以上)，即所谓触发(trip)，而将过量的电流反向抵消，以达到保护电池或电路组件的目的。
[0003]PTC组件的触发温度主要取决于材料的种类，例如为了满足电池的低温工作环境所需，常会采用触发温度较低的低温高分子材料。不过采用触发温度较低的低温材料也会导致PTC组件的维持电流(hoId current)下降。尤其是在电池的应用上，在较高的温度下(例如:60°C或70°C )，必须仍然要有相当高的维持电流，却必须在80 0C以下快速触发，若单靠调整热敏电阻的材料，是很难达到这样的功能。因为若要在60-70°C达到高维持电流必须使用高温材料(例如高密度聚乙烯HDPE)，但若使用高温材料就不能够达到80 0C以下快速触发的要求。若使用低温材料(例如低密度聚乙烯LDPE)是可以达到80°C以下快速触发的要求，却无法在60-70 0C达到高维持电流。
[0004]
【申请人】根据前述问题已经公开相关专利，其中美国专利US8461956即揭露相关技术内容。US8461956的组件设计大小不同两电极箔，且使用温度感测开关决定两者间的导通或限流，其中温度感测开关的临界温度小于PTC组件的触发温度。正常状态下，两电极箔导通而具有最大的有效导电面积，然而当温度升高至超过温度感测开关的临界温度时，温度感测开关将限制电流流经较大面积的电极箔，而迫使所有电流流经较小面积的电极箔，此瞬间的过电流将使得PTC组件触发，而得以达到低温触发和高维持电流的特性。
[0005]但是，在某些需要电流调整而不特别要求低温触发的实务应用上，上述大小电极箔的设计并不适宜提供渐次调整电流的功能，即逐渐降低电流而达成限流保护，故无法满足相关应用的需求。
[0006]因此，有必要提供一种新的感温限流保护组件来解决上述问题。
【【实用新型内容】】
[0007]本实用新型的主要目的在于提供一种感温限流保护组件，通过改变有效导电面积，可减少通过组件的电流。当瞬间过电流发生时，可瞬间提供其电阻而具有过电流保护的功效。
[0008]本实用新型通过技术方案之一实现上述目的:一种感温限流保护组件，其包括
[0009]第一导电层，包含依序排列且互相隔离的复数个电极箔；
[0010]第二导电层；
[0011]PTC材料层，叠设于所述第一导电层及所述第二导电层之间；以及
[0012]复数个温度感测开关，依序设置于相邻的复数个所述电极箔之间；
[0013]其中所述温度感测开关的临界温度均低于所述PTC材料层的触发温度，且所述温度感测开关的临界温度依排列顺序递减。
[0014]进一步的，所述电极箔、所述PTC材料层以及所述第二导电层形成导电路径，当瞬间过电流通过所述导电路径时，触发所述PTC材料层由低电阻状态成为高电阻状态而达到过电流保护的作用，当过电流状况解除后，所述PTC材料层恢复原先低电阻状态。
[0015]进一步的，所述温度感测开关的个数较所述电极箔的个数少一个，且所述第一导电层包含至少有3个所述电极箔。
[0016]进一步的，所述电极箔物理接触所述PTC材料层的上表面，所述第二导电层物理接触所述PTC材料层的下表面，相邻的所述电极箔间以沟槽隔离。
[0017]进一步的，所述温度感测开关包含填入所述沟槽的PTC油墨材料。
[0018]进一步的，所述第一导电层、所述PTC材料层和所述第二导电层形成与所述电极箔个数相同的并联电路，且各所述并联电路包含一个PTC热敏电阻组件。
[0019]进一步的，所有的所述并联电路中除一个以外，其余的各自串联一个所述温度感测开关。
[0020]进一步的，当温度达到所述温度感测开关的个别临界温度时，电流递减幅度为5%
至 40 %。
[0021 ]本实用新型通过技术方案之二实现上述目的:一种感温限流保护组件，其包括
[0022]第一导电层，包含η个依序排列且有间隔隔离的第I至第η电极箔，其中η为大于等于3的正整数，η个所述电极箔在同一平面上；
[0023]第二导电层；
[0024]PTC材料层，叠设于所述第一导电层及所述第二导电层之间；
[0025]η-1个温度感测开关，包含第I至第η-1温度感测开关，依序设置于相邻的第I和第2所述电极箔至第η-1和第η个所述电极箔之间，串接η个所述电极箔，各所述温度感测开关根据温度变化，切换相邻所述电极箔间为电气导通或限流状态；
[0026]其中η-1个所述温度感测开关的临界温度低于所述PTC材料层的触发温度，且第I至第η-1个所述温度感测开关的临界温度依序递减。
[0027]进一步的，所述第一导电层、所述PTC材料层和所述第二导电层形成η个并联电路，且各所述并联电路包含一个PTC热敏电阻组件。
[0028]与现有技术相比，本实用新型一种感温限流保护组件的有益效果在于:其设计为包含第一导电层、PTC材料层、第二导电层的叠层结构，且于该第一导电层中设置温度感测开关以控制其有效导电面积;可在温度逐渐升高时渐次递减通过组件的电流，根据温度变化调节电流，从而减缓温度上升的速度;在过电流发生时，可瞬间提高电阻值，从而提供有效的过电流保护的功效。
【【附图说明】
】
[0029]图1为本实用新型实施例一的结构示意图；
[0030]图2为本实用新型实施例一的电流和温度的关系示意图；
[0031]图3为本实用新型实施例一的等效电路图；
[0032]图4为本实用新型实施例二的结构示意图；
[0033]图中数字表示:
[0034]10,40感温限流保护组件
[0035]11、41第一导电层
[0036]12,42 PTC材料层
[0037]13,43第二导电层
[0038]14,44第一温度感测开关
[0039]15,45第二温度感测开关
[0040]21第一 PTC热敏电阻[0041 ]22第二PTC热敏电阻
[0042]23第三PTC热敏电阻
[0043]46导电层
[0044]47第一外接电极
[0045]48第二外接电极
[0046]49绝缘层
[0047]50导电连接件
[0048]111、411 第一电极箔
[0049]112、412 第二电极箔
[0050]113,413第三电极箔
【【具体实施方式】】
[0051 ] 实施例一
[0052]图1显示本实施例的感温限流保护组件10，其中PTC材料层12叠设于第一导电层11和第二导电层12之间。更精确而言，本实施例中第一导电层11物理接触PTC材料层12的上表面，而第二导电层13则物理接触该PTC材料层12的下表面。第一导电层11包含依序排列且互相隔离的第一电极箔111、第二电极箔112和第三电极箔113，且相邻的电极箔之间以沟槽隔离。第一电极箔111、第二电极箔112和第三电极箔113均位于该PTC材料层12的上表面，而位于同一平面上。各电极箔的面积约相同或差距不大于20%、15%或10%。第一电极箔111和第二电极箔112之间的隔离沟槽中设置有第一温度感测开关14，而第二电极箔112和第三电极箔113之间设置有第二温度感测开关15。第一和第二温度感测开关14和15可分别根据其临界温度，切换相邻第一电极箔111和第二电极箔112间、第二电极箔112和第三电极箔113间为电气导通或限流状态。当温度上升达到第一温度感测开关14的临界温度时，第一温度感测开关14将阻止大部分的电流通过第一电极箔111和第二电极箔112之间，而成限流状态，或甚至形成电气断路(即限流的极端状态)。同样地，当温度上升达到第二温度感测开关15的临界温度时，第二温度感测开关15将阻止大部分的电流通过第二电极箔112和第三电极箔113之间，而成限流状态。
[0053]感温限流保护组件10在应用时，第一电极箔111和第二导电层13可分别连接外接电极片(lead)，以连接至相关电路或负载。当温度感测开关14和15均未达其临界温度时，第一电极箔111、第二电极箔112和第三电极箔113间均为导通，其中电流流经第一导电层11、PTC材料层12及第二导电层13形成的导电路径。温度感测开关14和15的临界温度均低于该PTC材料层12的触发温度，以确保PTC材料层12不会先行触发。本实施例中，第一和第二温度感测开关14和15的临界温度依由右向左排列顺序递减，也就是第一温度感测开关14开始限流的临界温度高于第二温度感测开关15的临界温度。
[0054]当温度逐渐上升至超过第二温度感测开关15的临界温度时，第一导电层11中第二电极箔112和第三电极箔113间将成限流状态，使得第一导电层11中只有第一电极箔111和第二电极箔112导通提供有效导电面积。因有效的导通面积减少，按电阻公式R = PXL/A(R为电阻，P为材料电阻率，L为导线长度，A为导线面积)，因面积A减少，电阻R将增加，故电流将相应降低。当温度进一步上升至超过第一温度感测开关14的临界温度时，第一电极箔111和第二电极箔112间将进一步成限流状态。使得第一导电层11中只有第一电极箔111导通，因此有效的导通面积将进一步减少，使得导电路径中的电流将进一步降低。综上所述，当温度逐渐上升分别超过第二温度感测开关15和第一温度感测开关14的个别临界温度时，第一导电层11中有效导通面积(导通的电极箔个数)相应减少，从而递减组件中的流通电流。
[0055]前述电流随温度递减的型态如图2所示，其中温度B为第二温度感测开关15的临界温度，温度A则为第一温度感测开关14的临界温度。因PTC材料层12有随温度升高而增加电阻值的特性，因此电流将随温度升高而缓慢降低。当温度上升到达温度B时，因第二温度感测开关15的限流作用，将使有效导通面积限于第一电极箔111和第二电极箔112，而使得电流骤降。若温度继续上升至温度A时，因第一温度感测开关14的限流作用，将使得有效导通面积仅限于第一电极箔111，使得电流进一步降低。据此，可依需求选择不同临界温度的温度感测开关控制电流，依温度控制导通的电极箔个数而达到限流的效果。随温度上升，导通的电极箔个数相应减少，从而递减导电路径中的电流。控制电极箔的面积可调整到达温度感测开关的临界温度时电流骤降的幅度，一般温度到达温度感测开关的个别临界温度时，每次电流降低幅度在5 %至40 %，例如10 %、15 %、20 %或30 %。此外，当瞬间过电流通过该导电路径时，可触发该PTC材料层12电阻状态成为高电阻状态而达到过电流保护的作用，当过电流状况解除后，该PTC材料层12回复原先低电阻状态。
[0056]当温度感测开关14和15为导通状态时，电流将经由第一电极箔111、第二电极箔112和第三电极箔113进入PTC材料层12，之后再经由第二导电层13流出。若将第一电极箔111、PTC材料层12及第二导电层13的路径设为第一导电路径，第二电极箔112、PTC材料层12及第二导电层13设为第二导电路径，且第三电极箔113、PTC材料层12及第二导电层13设为第三导电路径，亦即电流同时通过该第一、第二与第三导电路径，此时组件有高的维持电流，也有高的触发电流(trip current)。当温度达到温度感测开关15的临界温度时，温度感测开关15将切换为限流状态，使得电流无法流经第三导电路径，而被迫仅能流经第一和第二导电路径。但因有效导电面积减少，电阻增加反向降低电流，形成限流保护。类似地，当温度继续上升达到温度感测开关14的临界温度时，温度感测开关14将切换为限流状态，使得电流无法流经第二和三导电路径，而被迫仅能流经第一导电路径，形成限流保护。
[0057]上述感温限流组件10的等效电路图如图3所示，其中包含3个并联的导电路径。第一电极箔111、PTC材料层12及第二导电层13形成的第一导电路径中包含第一PTC热敏电阻21。第二电极箔112、PTC材料层12及第二导电层13形成的第二导电路径中包含第二 PTC热敏电阻22。第三电极箔113、PTC材料层12及第二导电层13形成的第三导电路径中包含第三PTC热敏电阻23。若第一电极箔111、第二电极箔112和第三电极箔113的面积约相同时，因有效导电面积相同，第一PTC热敏电阻21、第二PTC热敏电阻22和第三PTC热敏电阻23的电阻值约相同。当温度未达第二温度感测开关15的临界温度时，电流流经第一、第二和第三导电路径。当瞬间过电流通过该第一至第三导电路径时，第一至第三PTC热敏电阻21至23将由低电阻状态成为高电阻状态而达到过电流保护的作用。当温度超过第二温度感测开关15的临界温度时，温度感测开关15将切换为限流状态，迫使电流流经第一 PTC热敏电阻21及第二 PTC热敏电阻22，等于少了原本并联的第三导电路径，因此整体电阻值将增加，进而降低电流。当温度进一步超过第一温度感测开关14的临界温度时，温度感测开关14将切换为限流状态，迫使电流瞬间只流经第一 PTC热敏电阻21，等于少了原本并联的第二和第三导电路径，因此整体电阻值将进一步增加从而降低电流，如图2所示的情况。
[0058]一实施例中，第一和第二温度感测开关14和15可为PTC油墨材料，而具有电阻可回复性，且方便使用网印方式制作。但需选用低温触发的材质，使第一和第二温度感测开关14和15的触发温度较PTC材料层12的触发温度为低。具低温触发材料的温度感测开关14或15触发时，其电阻将弹升而大幅降低及限制其中流经的电流，而达到「限流」状态。申言之，断路即为「限流」的极端状态，完全不允许电流流经温度感测开关14或15。另一实施例中，温度感测开关14和15可利用精密机械技术制作的金属簧片开关，利用热胀冷缩的原理，达到开关切换为导通或断路的功能。
[0059]一实施例中，PTC材料层12的触发温度介于90-160 °C，例如:100 °C、120 °C或140 °C。温度感测开关的临界温度约在60-90°C之间。一实施例中，第二温度感测开关15的临界温度介于60?74°C，例如:67°C、72°C，第一温度感测开关14的临界温度介于75?90°C，例如77°(:、80°(:或85°(:。
[0060]本实用新型不限于上述第一导电层11包含3个电极箔的情况，第一导电层11亦可分割成更多个电极箔，从而可以进行更多温度阶段的电流控制。申言之，第一导电层包含η个依序排列且有间隔隔离的第I至第η电极箔，其中η为大于等于3的正整数，该η个电极箔在同一平面上。温度感测开关有η-1个，即包含第I至第η-1温度感测开关，依序设置于相邻的第I和第2电极箔至第η-1和第η个电极箔之间而串接该η个电极箔。各温度感测开关根据温度变化，切换相邻电极箔间为电气导通或限流状态。该η-1个温度感测开关的临界温度均低于该PTC材料层的触发温度，且第I至第η-1温度感测开关的临界温度依序递减。当所有的η-1个温度感测开关为导通时，电流系流经第I至第η电极箔、PTC材料层及第二导电层形成的导电路径。当瞬间过电流通过该导电路径时，触发该PTC材料层由低电阻状态成为高电阻状态而达到过电流保护的作用，当过电流状况解除后，该PTC材料层恢复原先低电阻状态。当温度超过第m个温度感测开关的临界温度时，其中m等于I至η-1中的一数值，该第m至第η-1个温度感测开关切换为限流状态，促使电流流经第I至第m个电极箔、PTC材料层组件及第二导电层形成的导电路径，从而降低电流流通。
[0061]第一导电层11、第二导电层13的材料可为镍、铜、锌、银、金、及前述金属所组成的合金或多层材料，例如镀镍铜箔、镀锡铜箔等。PTC材料层12中含有结晶性高分子聚合物及导电粒子。结晶性高分子聚合物适用的材料包括:聚乙烯、聚丙烯、聚氟烯、前述的混合物或共聚合物等。导电粒子可为金属粒子、含碳粒子、金属碳化物、金属硼化物，或是前述材料的混合物、固溶体或核壳体。例如导电粒子可选自碳黑、镍粉、碳化钛(TiC)或碳化钨(WC)等。
[0062]实施例二
[0063]实施例一中除了第一电极箔111和第二导电层13可直接连接外接电极片形成轴型(axial-leaded)感温限流保护组件外，亦可在结构上略加变化，制作成表面黏着型(surface-mount type)的感温限流组件，如图4所示。感温限流保护组件40包含第一导电层41、第二导电层43、PTC材料层42、第一温度感测开关44、第二温度感测开关45、导电层46、第一外接电极47、第二外接电极48、绝缘层49以及导电连接件50ITC材料层42叠设于第一导电层41及第二导电层43之间。第一外接电极47及第二外接电极48设于第二导电构件43的同一侧，亦即组件40下方，作为外接电源的接口。第二导电层43与第二外接电极48间以导电层46作电气连接。第一导电层41包含位于同一平面的第一电极箔411、第二电极箔412及第三电极箔413。第一电极箔411及第二电极箔412间以沟槽隔离，且沟槽中设置第一温度感测开关44。第二电极箔412和第三电极箔413间以沟槽隔离，且沟槽中设置第二温度感测开关45。一实施例中，第一电极箔411、第二电极箔412和第三电极箔413的面积约相等，或差距在20%、15%或10%以内，如此有效导电面积不致于随温度改变时而有过大的变化，以避免迫使瞬间电流流经过小的有效导电面积所导致不预期的PTC材料层42触发。绝缘层49设于第一外接电极47及第二导电层43之间，于两者间进行电气隔离。导电连接件50在本实施例中为表面镀有导电膜的半圆导电通孔，其连接第一外接电极47及第一电极箔411，用于两者间的电气导通。第一温度感测开关44的临界温度低于PTC材料层43的触发温度。第二温度感测开关45的临界温度低于PTC材料层43的触发温度，且低于第一温度感测开关44的临界温度。温度感测开关44和45感应环境温度而变化。当温度感测开关44和45的温度均小于其临界温度时，温度感测开关44和45为导通，当温度大于等于其临界温度时，温度感测开关44和45将切换为限流状态(例如高电阻状态或断路)。一实施例中，温度感测开关44和45可为PTC油墨材料，但需选用低温触发的材质，使其触发温度较PTC材料层42的触发温度为低。温度感测开关44和45亦可为金属簧片开关，利用热胀冷缩的原理，达到开关切换为导通或断路的功會K。
[0064]除以上轴型和表面黏着型的组件设计外，其亦可基于相同原理利用不同的导电连接技术，形成各式的感温限流组件，而仍为本实用新型所涵盖。本实用新型除了保有PTC组件本身原有的过电流保护特性外，亦可提供不同温度的阶段式降低电流的限流特性，而特别适合于高温场合的电流调整应用。
[0065]以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种感温限流保护组件，其特征在于:其包括 第一导电层，包含依序排列且互相隔离的复数个电极箔； 第二导电层； PTC材料层，叠设于所述第一导电层及所述第二导电层之间；以及 复数个温度感测开关，依序设置于相邻的复数个所述电极箔之间； 其中所述温度感测开关的临界温度均低于所述PTC材料层的触发温度，且所述温度感测开关的临界温度依排列顺序递减。2.如权利要求1所述的感温限流保护组件，其特征在于:所述电极箔、所述PTC材料层以及所述第二导电层形成导电路径，当瞬间过电流通过所述导电路径时，触发所述PTC材料层由低电阻状态成为高电阻状态而达到过电流保护的作用，当过电流状况解除后，所述PTC材料层恢复原先低电阻状态。3.如权利要求1所述的感温限流保护组件，其特征在于:所述温度感测开关的个数较所述电极箔的个数少一个，且所述第一导电层包含至少有3个所述电极箔。4.如权利要求1所述的感温限流保护组件，其特征在于:所述电极箔物理接触所述PTC材料层的上表面，所述第二导电层物理接触所述PTC材料层的下表面，相邻的所述电极箔间以沟槽隔离。5.如权利要求4所述的感温限流保护组件，其特征在于:所述温度感测开关包含填入所述沟槽的PTC油墨材料。6.如权利要求1所述的感温限流保护组件，其特征在于:所述第一导电层、所述PTC材料层和所述第二导电层形成与所述电极箔个数相同的并联电路，且各所述并联电路包含一个PTC热敏电阻组件。7.如权利要求6所述的感温限流保护组件，其特征在于:所有的所述并联电路中除一个以外，其余的各自串联一个所述温度感测开关。8.如权利要求7所述的感温限流保护组件，其特征在于:当温度达到所述温度感测开关的个别临界温度时，电流递减幅度为5%至40%。9.一种感温限流保护组件，其特征在于:其包括 第一导电层，包含η个依序排列且有间隔隔离的第I至第η电极箔，其中η为大于等于3的正整数，η个所述电极箔在同一平面上； 第二导电层； PTC材料层，叠设于所述第一导电层及所述第二导电层之间； η-1个温度感测开关，包含第I至第η-1温度感测开关，依序设置于相邻的第I和第2所述电极箔至第η-1和第η个所述电极箔之间，串接η个所述电极箔，各所述温度感测开关根据温度变化，切换相邻所述电极箔间为电气导通或限流状态； 其中η-1个所述温度感测开关的临界温度低于所述PTC材料层的触发温度，且第I至第η-1个所述温度感测开关的临界温度依序递减。10.如权利要求9所述的感温限流保护组件，其特征在于:所述第一导电层、所述PTC材料层和所述第二导电层形成η个并联电路，且各所述并联电路包含一个PTC热敏电阻组件。
【文档编号】H01C7/02GK205723030SQ201620629804
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】王绍裘, 曾郡腾
【申请人】昆山聚达电子有限公司